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Ermittlung monatlicher Konversionsfaktoren für den Energieträger Strom

Die Ergebnisse einer Studie zeigen, dass zur Bewertung des Energieträgers Strom zeitlich variable Konversionsfaktoren sinnvoll sind. Von Martin Ploss und Thomas Rosskopf, Energieinstitut Vorarlberg

Ökobilanzen und Lebenszykluskosten Gebäudebewertung

Zusammenfassung

Zur Bewertung der energetischen Qualität von Gebäuden und ihrer Klimarelevanz werden seit etwa zwei Jahrzehnten häufig die Indikatoren Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen (bzw. CO2eq-Emissionen) verwendet. Diese ergeben sich durch Multiplikation des Endenergiebedarfs je Energieträger mit seinem Primärenergiefaktor bzw. seinem Konversionsfaktor für CO2 bzw. für CO2eq. Bislang wurden als Primärenergiefaktoren und Konversionsfaktoren für CO2 üblicherweise Jahreswerte verwendet.

Während dies für die Energieträger wie Öl, Gas, Biomasse nach wie vor ausreichend ist, zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass zur Bewertung des Energieträgers Strom zeitlich variable Konversionsfaktoren sinnvoll sind, da die CO2-Intensität der Stromerzeugung in Versorgungsgebieten mit hohen Anteilen fluktuierender erneuerbarer Energien – wie etwa Österreich - jahreszeitlich stark schwankt.

Im Rahmen der Studie wurden daher monatliche Primärenergiefaktoren und CO2eq-Faktoren ermittelt. Dabei wurden zwei Zeitperioden zugrunde gelegt:

  • Mittelwert der Jahre 2014/15
  • 2016

Zur Bewertung der CO2eq-Emissionen der einzelnen Kraftwerkstypen wurden zwei Quellen verwendet:

  • Stolz, Frischknecht: Umweltkennwerte und Primärenergiefaktoren von Energiesystemen [1]
  • Schlömer et al.: Annex III: Technology-specific cost and performance parameters (IPCC)  [5]

Bewertet wurde der Verbraucherstrommix in Österreich, der aus der österreichischen Bruttostromerzeugung abzüglich des Bedarfs für den Netzbetrieb und zuzüglich des Importsaldos aus den zwei Hauptimportländern (Deutschland und Tschechische Republik) ermittelt wurde. Abbildung 1 zeigt die monatlichen Konversionsfaktoren für den österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014/15 bei Anwendung der Kennwerte aus Stolz [1] für die verschiedenen Kraftwerkstypen.
Wie die Abbildung 1 zeigt, unterliegen die monatlichen CO2eq-Konversionsfaktoren einem stark schwankenden jahreszeitlichen Verlauf. Die Werte liegen zwischen etwa 100 g CO2eq/kWh im Mai und Juni und 437 g CO2eq/kWh im Februar. Der Jahresmittelwert entspricht sehr gut dem Jahreswert der OIB RL 6 (2015).
Abbildung 2 zeigt ebenfalls den Verlauf der Monatswerte der CO2eq-Konversionsfaktoren für 2014/15, jedoch unter Verwendung der Kennwerte nach IPCC [5] für die einzelnen Kraftwerkstypen.

Werden statt der CO2eq-Faktoren der einzelnen Kraftwerkstypen nach Stolz [1] die Werte nach IPCC [5] verwendet, so zeigt sich ein prinzipiell gleicher jahreszeitlicher Verlauf. Die Winterwerte sind jedoch mit maximalen Monatswerten von 330 g CO2eq/kWh merklich niedriger. Grund für die niedrigeren Faktoren sind die niedrigeren Angaben der IPCC [5] für die CO2eq-Intensität von Kohlekraftwerken.
Die in Abbildung 1 und 2  dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die CO2eq-Intensität des österreichischen Verbraucherstrommix merklichen jahreszeitlichen Schwankungen mit höheren Werten im Winter unterliegt. Ähnliches gilt auch für die Primärenergiefaktoren.

Aus Sicht des Energieinstitut Vorarlberg sollten diese jahreszeitlichen Unterschiede bei der Bewertung der energetischen Gebäudequalität und ihrer Emissionen an CO2eq zukünftig berücksichtigt werden.

Die Ermittlung der jährlichen Emissionen an CO2eq auf Basis von Monatswerten mit zeitlich variablen Konversionsfaktoren wäre ohne Mehraufwand für den Nutzer möglich, wenn für den Energieträger Strom monatliche Konversionsfaktoren zur Verfügung gestellt und in die Berechnungsalgorithmen  implementiert würden.
Mit dieser Methode wäre eine einfache Bewertung sowohl des Energiebedarfs als auch der Stromproduktion durch gebäudeintegrierte PV-Anlagen möglich.

Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren

Zur Bewertung der energetischen Qualität von Gebäuden und ihrer Klimarelevanz werden seit etwa zwei Jahrzehnten häufig die Indikatoren Primärenergiebedarf und CO2-Emission (bzw. CO2eq-Emission) verwendet.
Der Indikator Primärenergie beschreibt, wie viel Energie zum Betrieb eines Gebäudes inkl. aller vorgelagerter Prozesse zur Bereitstellung des Energieträgers (Öl, Gas, Biomasse, Strom…) eingesetzt werden muss. Der Primärenergiebedarf ergibt sich durch Multiplikation des Endenergiebedarfs mit dem Primärenergiefaktor des eingesetzten Energieträgers.

Der Indikator CO2eq-Emission beschreibt, welche Menge an CO2 und anderen Treibhausgasen inklusive aller Prozesse zur Bereitstellung des Energieträgers ausgestoßen wird. Die Treibhausgas-Emissionen ergeben sich durch Multiplikation des Endenergiebedarfs mit dem CO2eq-Konversionsfaktor des eingesetzten Energieträgers.

Primärenergiefaktoren und Konversionsfaktoren für die CO2eq-Emissionen können verschiedenen wissenschaftlichen Studien entnommen werden [1], [2], [3] und sind in den Rechenverfahren für die Energieausweisberechnungen in vielen EU-Staaten (OIB Richtlinie 6, EnEV…) „normativ“ festgelegt.

Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren für Brennstoffe

In der Abbildung 3 sind die Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren der OIB Richtlinie 6 (2015) [4] für Brennstoffe den in drei wissenschaftlichen Studien [1], [2], [3] ermittelten Werten gegenübergestellt.

Die verfügbaren Konversionsfaktoren der wissenschaftlichen Studien stimmen untereinander gut überein, auch die Werte der OIB Richtlinie 6 weichen nicht weit davon ab. Lediglich die CO2-Werte für Biomasse liegen deutlich unter denen der wissenschaftlichen Studien.

Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren für verschiedene Kraftwerkstypen zur Stromerzeugung

Ähnlich wie für die Energieträger zur Wärmebereitstellung können Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren auch für den Strom bestimmt werden, der in Kraftwerken mit unterschiedlichen Energieträgern erzeugt wird.
In Abbildung 4 sind die Werte der wichtigsten Kraftwerkstypen gemäß maßgeblicher wissenschaftlicher Studien aufgeführt. 

Die drei Quellen nennen sowohl für Kraftwerkstypen mit erneuerbaren Energieträgern als auch für jene mit nicht erneuerbaren Energieträgern ähnliche Größenordnungen.
Stärkere Abweichungen zeigen sich mit 41 bis 123 g/kWh bei PV-Strom. Dies kann daran liegen, dass die Studien nicht zum gleichen Zeitpunkt entstanden und damit unterschiedliche Energieintensitäten bei der Herstellung von PV-Anlagen berücksichtigen. Wie vergleichende Studien zeigen, sinken die Energieaufwände zur Herstellung von PV-Anlagen, so dass neuere Anlagen „grüneren“ Strom liefern als ältere. 

Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren für den Verbraucherstrommix von Versorgungsgebieten

Die Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren für den Verbraucherstrom-Mix eines Versorgungsgebietes können aus den Werten der einzelnen Kraftwerkstypen berechnet werden, wenn die Anteile der einzelnen Kraftwerkstypen an der Gesamterzeugung bekannt sind. Für die Berechnungen des Primärenergiebedarfs und der CO2-Emissionen im Energieausweis sind diese Werte in der OIB Richtlinie 6 (2015) bestimmt. Bei der Ermittlung wurden die Anteile der verschiedenen Kraftwerkstypen an der Stromerzeugung in Österreich sowie in den Hauptstromimportländern Deutschland und Tschechien berücksichtigt. Dabei wurde der jeweilige Stromerzeugungsmix im Mittel der Jahre 2009 bis 2013 zugrunde gelegt [6].
In Abbildung 5 sind die so ermittelten Werte für den Stromproduktionsmix in Österreich, in Deutschland und Tschechien sowie der daraus ermittelte Strommix Österreich dargestellt.

Im Mittel der Jahre 2009 bis 2013 ergeben sich ein Primärenergiefaktor fPE für den österreichischen Verbraucherstrommix von 1,91 und ein Konversionsfaktor fCO2 von 276 g/kWhEnd.

Diese Werte beziehen sich auf den Jahresdurchschnitt des österreichischen Verbraucherstrommix. In Versorgungsgebieten mit hohen Anteilen an Strom aus fluktuierenden, erneuerbaren Quellen (Wind, Wasser, PV…) können die spezifischen Emissionen an CO2eq jedoch jahreszeitlich zeitlich sehr stark schwanken.
In den folgenden Abschnitten wird daher am Beispiel des österreichischen Verbraucherstrommix analysiert, wie stark diese zeitlichen Schwankungen der Emissionen an CO2eq sind und wie die Schwankungen in zeitlich höher aufgelösten CO2eq-Konversionsfaktoren berücksichtigt werden können.

Ermittlung monatlicher Konversionsfaktoren für Strom

Als Basis für die Ermittlung der monatlichen Faktoren für Österreich wurden die Betriebsstatistiken der E-Control für die Jahre 2014 und 2015 verwendet, die in Form von Monatswerten vorliegen [7], [8]. Abbildung 6 veranschaulicht die monatliche Bruttostromerzeugung von Österreich im Mittel der Jahre 2014 und 2015. Sie verdeutlicht den ausgeprägten Jahresgang der Stromerzeugung aus Wasserkraft mit hoher Erzeugung im Sommer und deutlich niedrigeren Werten in den Wintermonaten. Ein noch stärker ausgeprägter Jahresgang mit Maximum im Sommer und weit niedrigeren Werten ergibt sich für PV-Strom. Wegen des noch sehr geringen Anteils an der Gesamterzeugung ist dieser Verlauf in der Abbildung kaum erkennbar.
Unter Zugrundelegung der Primärenergiefaktoren und CO2eq-Konversionsfaktoren nach Stolz [1] für die einzelnen Kraftwerkstypen ergeben sich monatliche Primärenergiefaktoren und CO2eq-Emissionen für die Österreichische Bruttostromerzeugung. Mithilfe des Strombedarfs für den Betrieb des Österreichischen Stromnetzes, bestehend aus Strombedarf für Pumpspeicherung, Netzverlusten und Eigenbedarf, wurden die monatlichen Aufwandszahlen für die Stromverteilung ermittelt. Die Aufwandszahlen wurden in der Berechnung der monatlichen Konversionsfaktoren berücksichtigt.

Die Abbildung 7 zeigt die berechneten, monatlichen Konversionsfaktoren der Bruttostromerzeugung Österreichs unter Berücksichtigung der monatlichen Aufwandszahlen des Stromnetzes.

In der Abbildung 8 ist die Österreichische Bruttostromerzeugung aus regenerativen Energieträgern in Grün dargestellt, die aus nicht erneuerbaren Energieträgern in Grau. Die violette Linie zeigt die Österreichische Bruttostromerzeugung abzüglich des Bedarfs des Netzbetriebs, die rote Linie den Energetischen Endverbrauch Österreichs. Die Differenz zwischen violetter Linie und roter Linie beschreibt die Energiemenge, die Österreich importiert bzw. exportiert. Wie die Grafik veranschaulicht, ist die Import/Exportbilanz Österreichs besonders in den Wintermonaten negativ, es wird deutlich mehr Strom importiert als exportiert. Die Stromimporte Österreichs sind in den vergangenen Jahren kontinuierlich angestiegen.

Bei genauer Betrachtung der Stromimporte und -exporte ist ersichtlich, dass Österreich Nettoimporteur (Importe > Exporte) von Strom aus Deutschland und der Tschechischen Republik ist. Daher wurde die Erzeugung in 2014 und 2015 in diesen beiden Ländern analog zur Vorgehensweise für Österreich analysiert.

Aus dem monatlichen Inlandserzeugungsmix von Deutschland und der Tschechischen Republik ergaben sich monatliche Primärenergiefaktoren und CO2-äquivalente Emissionen für jedes der beiden Länder. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Bruttostromerzeugung Deutschlands.

Aus der österreichischen Bruttostromerzeugung, abzüglich dem Strombedarf für den Netzbetrieb, sowie den Importen und Exporten konnte der monatliche Anteil der Inlandstromerzeugung am Endverbrauch Österreichs abgeleitet werden.

Aus den monatlichen Import- und Exportwerten konnten die monatlichen Nettoimporte (Importe – Exporte) aus Deutschland und der Tschechischen Republik sowie die prozentualen Anteile der beiden Länder an den gesamten monatlichen Nettoimporten ermittelt werden (z.B. x % aus Deutschland und y % aus der Tschechischen Republik, x + y = 100 %). Diese Anteile wurden gemittelt für die Jahre 2014 und 2015 erfasst.

Aus der österreichischen Bruttostromerzeugung, den monatlichen Anteilen am Endverbrauch, den prozentualen Anteilen von Deutschland und Tschechien an den Nettoimporten sowie der deutschen und tschechischen Bruttostromerzeugung konnten die monatlichen Primärenergiefaktoren und CO2-äquivalente Emissionen der Österreichischen Strombereitstellung ermittelt werden.

Die Abbildungen 10 + 11 zeigen die Konversionsfaktoren des österreichischen Verbraucherstrommix. Zusätzlich ist der Jahresmittelwert in orange und der Konversionsfaktor der OIB-Richtlinie 6 Stand 2015 in rot dargestellt.

Die nach der o.g. Methode bestimmten monatlichen Primärenergiefaktoren zeigen einen jahreszeitlich variablen Verlauf: während die Primärenergiefaktoren in den Monaten Mai bis September bei etwa 2 liegen, liegen sie von Oktober bis März bei Werten um 2,5. Der Jahresmittelwert liegt merklich höher, als der in der OIB RL 6 (2015) genannte Wert von 1,91.

Der jahreszeitliche Verlauf der CO2eq-Konversionsfaktoren ist deutlich ausgeprägter als der Verlauf der Primärenergiefaktoren. Die Monatsmittel schwanken zwischen ca. 100 g CO2eq/kWh im Mai und Juni und 437 g CO2eq/kWh im Februar. Der Jahresmittelwert entspricht sehr gut dem Jahreswert der OIB RL 6 (2015).

Werden statt der CO2eq-Faktoren der verschiedenen Kraftwerkstypen nach Stolz [1] die Werte nach IPCC [5] verwendet, so zeigt sich der gleiche jahreszeitliche Verlauf. Die Winterwerte sind jedoch mit maximalen Monatswerten von 330 gCO2eq/kWh merklich niedriger. Grund für die niedrigeren Faktoren sind die niedrigeren Angaben der IPCC für die CO2eq-Intensität von Kohlekraftwerken.

Resümee

Aus Sicht des Energieinstitut Vorarlberg sollten die jahreszeitlichen Unterschiede bei der Bewertung der energetischen Gebäudequalität und ihrer Emissionen an CO2eq zukünftig berücksichtigt werden.

Die Ermittlung der jährlichen Emissionen an CO2eq auf Basis von Monatswerten mit zeitlich variablen Konversionsfaktoren wäre ohne Mehraufwand für den Nutzer möglich, wenn für den Energieträger Strom monatliche Konversionsfaktoren zur Verfügung gestellt und in die Berechnungsalgorithmen  implementiert würden.
Mit dieser Methode wäre eine einfache Bewertung sowohl des Energiebedarfs als auch der Stromproduktion durch gebäudeintegrierte PV-Anlagen möglich.
Die in diesem Bericht dargestellten monatlichen Konversionsfaktoren bilden die CO2eq-Intensität der heutigen Strombereitstellung ab. Für eine Bewertung des Energieträgers Strom bleibt zu überlegen, ob und wie die zukünftige Entwicklung des Strommix´ in den Konversionsfaktoren berücksichtigt werden kann.

Ein Beispiel für eine derartige Bewertung eines für die Zukunft angenommenen Strommix sind die vom Passivhausinstitut, Darmstadt (PHI) eingeführten PER-Faktoren [10]. Diese beschreiben den Energieaufwand verschiedener Energieträger in einem zukünftigen, zu 100 % regenerativen Stromsystem. In der Bewertungsmethode des PHI ergeben sich für den Energieträger „regenerativer Strom“ je nach Anwendung unterschiedliche mit PER-Faktoren (Primary Energy Reneable): der Stromeinsatz für die Anwendung Heizen (Winter) hat einen deutlich höheren PER-Faktor, als der Stromeinsatz für die Anwendung Kühlen (Sommer).

Quellen

[1] Stolz, Frischknecht (2016:) Umweltkennwerte und Primärenergiefaktoren von Energiesystemen. treeze Ltd., fair life cycle thinking. Verfügbar unter: treeze.ch/fileadmin/user_upload/downloads/Publications/Case_Studies/Energy/563-Energiesysteme-v1.0.pdf (02.05.2017)

[2] Fritsche, Rausch, Brommer (2011):  Endbericht zur Kurzstudie: Lebenswegbezogene Emissionsdaten für Strom- und Wärmebereitstellung, Mobilitätsprozesse sowie ausgewählte Produkte für die Beschaffung in Deutschland, Öko Institut, Darmstadt, Nov. 2011; Verfügbar unter:  iinas.org/tl_files/iinas/downloads/GEMIS/2011_GEMIS_Daten-FESt.pdf

[3] Umweltbundesamt: Berechnung von Treibhausgas (THG)-Emissionen verschiedener Energieträger, verfügbar unter: www5.umweltbundesamt.at/emas/co2mon/co2mon.html

[4] Österreichisches Institut für Bautechnik: OIB Richtlinie 6 Energieeinsparung und Wärmeschutz, Ausgabe März 2015

[5] Schlömer S., T. Bruckner, L. Fulton, E. Hertwich, A. McKinnon, D. Perczyk, J. Roy, R. Schaeffer, R. Sims, P. Smith, and R. Wiser, 2014: Annex III: Technology-specific cost and performance parameters. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

[6] Österreichisches Institut für Bautechnik: Erläuternde Bemerkungen OIB Richtlinie 6; Wien, März 2015

[7] Quelle: E-Control (2016) Betriebsstatistik 2014. Verfügbar unter: www.e-control.at/statistik/strom/betriebsstatistik/betriebsstatistik2014 (02.05.2017);

[8] E-Control (2016) Betriebsstatistik 2015. Verfügbar unter: www.e-control.at/statistik/strom/betriebsstatistik/betriebsstatistik2015 (02.05.2017)

[9] Quelle: ENTSO-E (2017) Detailed monthly production (in GWh) for a specific country. Verfügbar unter: www.entsoe.eu/db-query/production/monthly-production-for-a-specific-country (02.05.2017)
[10] J. Grove-Smith: Nachhaltigkeitsbewertung mit PER; Passivhausinstitut, Darmstadt, 2015; download unter: passipedia.de/zertifizierung/passivhaus-klassen/per

© Enzberg
Abb. 1: Monatswerte der CO2eq-Faktoren des österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014 und 2015 auf Basis der Monatsdaten Betriebsstatistik gem. E-Control [7], [8]; Konversionsfaktoren CO2eq für Kraftwerkstypen nach Stolz [1]; (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 2: Monatswerte der CO2eq-Faktoren des österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014 und 2015 auf Basis der Monatsdaten Betriebsstatistik gem. E-Control [7], [8]; Konversionsfaktoren CO2eq für Kraftwerkstypen nach IPCC [5]; (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 3: Primärenergiefaktoren fPE und Konversionsfaktoren fCO2eq für verschiedene Brennstoffe gemäß unterschiedlicher Quellen; für OIB Richtlinie 6 (2015): fCO2 statt fCO2eq
Abb. 4: Primärenergiefaktoren fPE und Konversionsfaktoren fCO2eq für verschiedene Kraftwerkstypen zur Stromerzeugung gemäß unterschiedlicher Quellen; IPCC-Daten [5]: Medianwerte aus verschiedenen Studien
Abb. 5: Primärenergiefaktoren fPE und Konversionsfaktoren fCO2eq für Strom-Produktionsmix Österreich, Deutschland und Tschechien sowie für den resultierenden Strommix Österreich im Mittel der Jahre 2009 bis 2013 [6]
Abb. 6: Bruttostromerzeugung Österreich im Mittel der Jahre 2014 und 2015 [7], [8], (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 7: Konversionsfaktoren Bruttostromerzeugung Österreich unter Berücksichtigung des Bedarfs für Pumpspeicherung, der Netzverluste und des Eigenbedarfs (Berechnung: EIV, 2017)
Abb. 8: Bruttostromerzeugung Österreich, Bedarf Netzbetrieb Österreich, Energetischer Endenergieverbrauch und Nettoimport (Mittelwerte der Jahre 2014 und 2015) [7], [8]
Abb. 9: Bruttostromerzeugung Deutschland [9], (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 10: Monatswerte der Primärenergiefaktoren des österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014 und 2015 auf Basis der Monatsdaten Betriebsstatistik gem. E-Control [7], [8]; Konversionsfaktoren CO2eq für Kraftwerkstypen nach Stolz [1]; (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 11: Monatswerte der CO2eq-Faktoren des österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014 und 2015 auf Basis der Monatsdaten Betriebsstatistik gem. E-Control [7], [8]; Konversionsfaktoren CO2eq für Kraftwerkstypen nach Stolz [1]; (Darstellung: EIV, 2017)
Abb. 12: Monatswerte der CO2eq-Faktoren des österreichischen Verbraucherstrommix im Mittel der Jahre 2014 und 2015 auf Basis der Monatsdaten Betriebsstatistik gem. E-Control [7], [8; Konversionsfaktoren CO2eq für Kraftwerkstypen nach IPCC [5]; (Darstellung: EIV, 2017)