Energierücklaufzeit

Der Erntefaktor eines Kraftwerks beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie (Elektrizität, seltener auch Nutzwärme) zu der im Anlagenlebenszyklus aufgewandten Energie (auch kumulierter Energieaufwand oder Graue Energie). Er beantwortet also die Frage: „Wie oft bekommt man die hineingesteckte Energie wieder heraus?“ Werte über Eins bedeuten dabei eine positive Gesamt-Energiebilanz.

Ermittlung des Erntefaktors

Der Erntefaktor wird von verschiedenen Interessensgruppen auch in abgewandelter Form berechnet:

Im Allgemeinen wird für konventionelle (fossile) Kraftwerke definitionsgemäß auch der eingesetzte Brennstoff mit in die Rechnung einbezogen, da dieser ja nach der (Strom)erzeugung unwiderruflich verbrannt wurde. Dadurch haben fossile Kraftwerke immer einen Faktor kleiner Eins, während erneuerbare Energien als Einzige höhere Werte haben können, da deren „Brennstoffe“ (Wind, Wasser, Sonne) nach menschlichem Ermessen unendlich sind und sich vor allem durch (nachhaltige) Nutzung nicht verbrauchen.

Betreiber konventioneller Kraftwerke hingegen klammern den Brennstoff gern aus der Berechnung aus und vergleichen nur die zu Bau und Wartung benötigte Energie mit der produzierten Energie. So können auch sie eine Zahl größer Eins erreichen. Dies entspricht aber nicht mehr der Bewertung der tatsächlichen „Energieaufwände“ und „Nutz-Energie-Erträge“. Der tatsächliche Erntefaktor mit Berücksichtigung des Brennstoffeinsatzes ergibt sich über eine lange Anlagenbetriebsdauer (20 Jahre und länger) näherungsweise aus dem Anlagenwirkungsgrad, da der Energieaufwand zum Bau und Rückbau der Anlage im Verhältnis zu der über die gesamte Dauer insgesamt umgesetzten sehr großen Energiemenge (Brennstoff) sehr klein wird.

Die Berechnung der gesamten zur Herstellung eines Produktes benötigten Energie ist sehr komplex. Je nach Quelle und gegebenenfalls der Interessenslage des Autors können so auch die angegebenen Erntefaktoren stark schwanken. Auch die Dauer der angenommenen Anlagenlebenszeit hat Einfluss auf die Höhe des Erntefaktors und sollte daher mit angegeben werden.

Anlagen, die für ihre Herstellung mehr Energie verbrauchen als sie anschließend produzieren, widersprechen einer nachhaltigen Entwicklung.

Werte des Erntefaktors

Zusammenfassung einiger Erntefaktoren

Ölkraftwerk			2 – 19 [* 1]	0,15 – 0,3
Kohlekraftwerk	100 – 150 [* 1]		5 – 8 [* 1]	0,3 – 0,45
Kernkraftwerk	100 – 200 [* 1]		3 – 20 [* 1]	0,3 – 0,35
Wasserkraftwerk		100 – 200 [* 2] 40 – 100 [* 3]	15
Windenergieanlage	10 – 50	48	19
Solarthermische Anlage (Brauchwasser)		24	5 – 16
Photovoltaikanlage Mittlerer Jahresertrag pro kWp: Norddeutschland 800 kWh Süddeutschland 900 kWh Mitteleuropa 1000 kWh Südeuropa 1700 kWh	2 – 8	5,5 – 20 [* 4] 11 – 38 [* 5]	1,5 – 12
Quellen:	[1] energie-fakten.de	[2] volker-quaschning.de	[3] Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau	[* 6] Mit Berücksichtigung des Brennstoffeinsatzes
Anmerkungen [*]: ↑ a b c d e Ohne Berücksichtigung des Brennstoffeinsatzes ↑ Großes Laufwasserkraftwerk ↑ Kleines Laufwasserkraftwerk ↑ Deutschland, verschiedene Technologien ↑ Südeuropa, verschiedene Technologien ↑ Mit Berücksichtigung des Brennstoffeinsatzes; ist der Brennstoffumsatz im Verhältnis zum kumulierten Energieaufwand zur Erstellung und Rückbau sehr groß, so entspricht der Erntefaktor ungefähr dem elektrischen Wirkungsgrad; der Erntefaktor erhöht sich, wenn Nutzwärme ausgekoppelt wird

Beispiel Photovoltaikanlage

Für die Herstellung, den Transport, die Wartung etc. wird Energie benötigt – unter anderem in Form von elektrischem Strom und Wärme. Diese kann man berechnen – zum Beispiel anhand der Stromrechnung der involvierten Fabriken, des Kraftstoffverbrauchs der LKW etc. Wenn die Anlage fertig gebaut ist, produziert sie Strom. Der Erntefaktor gibt nun an, wieviel mehr (elektrische) Energie die Anlage im Laufe ihres Lebens produziert als insgesamt Energie für ihre Herstellung sowie Auf- und Abbau am Lebensende benötigt wird.

Laut TU Berlin liegen Erntefaktoren zwischen 4,8 und 7,4 für monokristalline Anlagen, zwischen 6,2 und 14 für polykristalline Anlagen und zwischen 8,6 und 21 für Dünnschichtanlagen, abhängig von der Laufzeit der Anlage.

Energetische Amortisationszeit

Die Energetische Amortisationszeit hängt eng mit dem Begriff Erntefaktor zusammen. Bekannt ist sie auch unter den Begriffen Energierücklaufzeit oder einfach nur energetische Amortisation.

Die Energetische Amortisationszeit beschreibt die Zeit, über die eine Energieerzeugungsanlage betrieben werden muss, bis die für die Herstellung aufgewendete Energie wieder „erzeugt“ worden ist, also wenn der Erntefaktor gleich Eins ist. Anlagen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden haben energetische Amortisationszeiten von einigen Monaten oder Jahren.

Energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen

Die Energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen hängt im wesentlichen von folgenden Faktoren ab:
1. Wirkungsgrad einer Photovoltaikzelle
2. Energetischer Aufwand für die Herstellung einer einzelnen Photovoltaikzelle
3. Energetischer Aufwand für die Herstellung eines Moduls aus mehreren Photovoltaikzellen:

  - Rahmen, Glas, Silikon etc. 

4. Energetischer Aufwand für den Bau einer Photovoltaik-Anlage aus mehreren Modulen:

  Anbringung der Module: 
  4.1 Dachmontierte Systeme: 
      - Unterbau mehrerer, zusammengefaßer Module (Querstangen) 
   
    4.1.1 Schrägdachbefestigung 
    4.1.2 Flachdachbefestigung 
          - Aufständerung 

  4.2 Fassadenmontierte Systeme 
      - Unterbau mehrerer, zusammengefaßer Module (Querstangen) 
   

  4.3 Bodenmontierte Systeme 
      - Unterbau mehrerer, zusammengefaßer Module (Querstangen) 
   
        - Aufständerung 
        - Fundament 

5. Elektrische Einbindung der Photovoltaik-Anlage in ein Stromnetz:

   - Wechselrichter 
   - Kabel
   5.1 Direktverbrauch 
       - Batteriepufferung
   5.2 Einspeisung ins öffentliche Stromnetz 

Energierücklaufzeit einer ins Stromnetz einspeisenden Photovoltaikanlage in Jahren

	Mittlerer Jahresertrag pro kWp	Band (Ribbon)	Multikristallin	Monokristallin
	[kWh]	[Jahre]	[Jahre]	[Jahre]
Norddeutschland	800	4,1	4,8	5,8
Süddeutschland	900	3,2	4,2	5,1
Mitteleuropa	1000	2,9	3,8	4,6
Südeuropa	1700	1,7	2,2	2,7
Quellen:	[4] [5]

Bei der Berechnung der energetischen Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen werden in der Regel sehr optimistische Annahmen für die Verwendung von recycletem Glas oder Aluminium verwendet: In der Praxis wird wegen der hohen Anforderung an die Durchsichtigkeit des verwendeten Glases kein Recyclingglas eingesetzt. In der Praxis wird für die Rahmung der Module fast nur Aluminium verwendet. In der Praxis wird für die Aufständerung und die Montage der Module wegen des Gewichts und vor allem wegen des Preises fast ausschließlich Aluminium verwendet. Der energetisch günstigere Edelstahl findet wegen seines Preises in der Praxis kaum Anwendung!

Energetische Amortisationszeit von Windkraftanlagen

In der öffentlichen Diskussion um die Nutzung der Windenergie ist oft die Energetische Amortisationszeit von Windkraftanlagen ein Streitthema zwischen Befürwortern („nur wenige Monate“) und Gegnern („keine energetische Amortisation“). Während erste Untersuchungen aus der Pionierzeit der Windenergienutzung (1970er und frühe 1980er Jahre), beruhend auf unausgereiften Testanlagen, durchaus den Schluss zuließen, dass eine energetische Amortisation kaum möglich ist, belegen zahlreiche Studien seit Ende der 1980er Jahre, dass sich die heutigen, ausgereiften Serienanlagen in wenigen Monaten energetisch amortisieren.

Bei den Ergebnissen der verschiedenen Untersuchungen gibt es allerdings gewisse Unterschiede. Dies hängt zum einen mit den stark unterschiedlichen, standortabhängigen Energieerträgen von Windkraftanlagen zusammen, zum anderen mit dem betrachteten Lebenszyklus. Zudem unterscheiden sich oft auch die Bilanzierungsmethoden. Teilweise wird nur die Herstellung der Anlage betrachtet (alte Untersuchungen), teilweise der Energieaufwand für Transport, Wartung über die Lebenszeit und Rückbau mit hinzugerechnet (neuere Untersuchungen). Hybride Analysen auf Basis von Prozessdaten und eines Input-Output-Ansatzes erfassen zudem auch die energetische Investition in den Maschinenpark beim Hersteller und den Zuliefern. Dabei ergibt sich eine energetische Amortisationszeit von weniger als einem Jahr. ^[6]

Beispiele

Energetische Amortisationszeiten von Windkraftanlagen

Typ	Offshore	Küste	Küstennah	Binnenland
Windkraftanlage 200 kW, 25 m Rotordurchmesser Herstellung Anlage inkl. Fundament [7]		4 Monate
Windkraftanlage Enercon E-32 300 kW, 32 m Rotordurchmesser [8]		2,1 Monate	2,5 Monate	4,3 Monate
Windkraftanlage Enercon E-66 1.500 kW, 66 m Rotordurchmesser Mischanalyse Herstellung, Auf- und Abbau, Wartung [9]		3,7 Monate	4,7 Monate	6,1 Monate
Offshore-Windkraftanlage 5 MW auf Tripod-Fundament Erfassung gesamter Lebensweg, ohne Netzanbindung [10]	4 Monate
Offshore-Windpark 2010 200 MW (40 × 5 MW) Erfassung gesamter Lebensweg, inkl. Netzanbindung [10]	5 Monate

Siehe auch

• ERoEI

Weblinks

• http://emsolar.ee.tu-berlin.de/allgemein/enamort.html
• http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/energie/wind/windfakt-118.html
• http://www.volker-quaschning.de/datserv/kev/index.html
• http://www.wind-energie.de/de/themen/windenergie-von-a-z/energiebilanz/

Quellen

1. ↑ http://www.energie-fakten.de/html/erntefaktor.html
2. ↑ http://www.volker-quaschning.de/datserv/kev/index.html
3. ↑ Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, 1990, Kapitel L2, Tabelle 1, Nutzungsdauer 25 Jahre
4. ↑ http://www.dgs.de/fileadmin/bilder/docs/DGS-Nutzerinformation-Photovoltaik.pdf
5. ↑ http://igitur-archive.library.uu.nl/chem/2007-0628-202050/NWS-E-2006-126.pdf
6. ↑ http://library.witpress.com/pdfs/abstracts/ESUS07/ESUS07016AU1.pdf
7. ↑ Jensch, W.: Energetische und materielle Aufwendungen beim Bau von Energieerzeugungsanlagen, zentrale und dezentrale Energieversorgung. FFE Schriftenreihe, Band 18, Springer Verlag 1987
8. ↑ Domrös, R.: Energetische Amortisationszeit von Windkraftanlagen auf der Basis der Prozesskostenanalyse. Diplomarbeit, TU Berlin, Fachgebiet für Energie und Rohstoffwirtschaft, 1992
9. ↑ Pick, E.; Wagner, H.-J.: Beitrag zum kumulierten Energieaufwand ausgewählter Windenergiekonverter. Arbeitsbericht des Instituts für ökologisch verträgliche Energiewirtschaft, Universität Essen, 1998
10. ↑ ^{a b} Tryfonidou, R.; Wagner, H.-J.: Offshore-Windkraft – Technikauswahl und aggregierte Ergebnisdarstellung. Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität Bochum, 2004 Kurzfassung