Strombedarf der Elektromobilität Woher kommt der Strom für all die E-Autos?

(14.07.21, aus Wirtschaftswoche , Original : hier )

Die EU hat ihr neues Klimapaket vorgestellt. Es wird das Ende des Verbrennungsmotors stark beschleunigen – und den gerade begonnenen Durchbruch des Elektroautos. Die brauchen Strom. Woher kommt der? Wie sauber ist er? Und was bedeuten Millionen von neuen E-Autos für den Strommarkt der Zukunft? 

Dieser Mittwoch, der 14. Juli 2021, könnte in die Geschichte eingehen. Die Europäische Union (EU) hat ihr neues Klimaschutzpaket vorgestellt. Und das hat es in sich. Ihren Treibhausgasausstoß will die EU bis 2030 um 55 Prozent senken. Das hat Auswirkungen auf so gut wie jede Branche, aber auf eine ganz besonders: Der Kohlenstoffdioxid (CO2)-Ausstoß von Autos wird weit drastischer als bisher geplant sinken müssen. Denn anders als Gebäude oder Industrie hat der Verkehr bisher kein CO2 seit 1990 eingespart. Nun sollen neue Pkw gleich 60 Prozent CO2 bis 2030 sparen – gegenüber heute, nicht 1990.

Das ist ambitioniert. Mit gleich vielen oder gar mehr Autos mit Verbrennungsmotor kann das nicht gelingen. E-Autos sollen es also richten. Die Beratungsgesellschaft McKinsey hat errechnet, dass dafür gut 60 Prozent der Neuverkäufe und etwa 20 Prozent aller Autos auf der Straße im Jahr 2030 elektrisch sein müssen. 

Und auch damit klappt es nur, weil die Hersteller ihre E-Autos auf dem Papier mit Null Gramm CO2 je Kilometer Autofahrt anrechnen dürfen. Für Wolfgang Reitzle, Ex-Manager bei BMW, Jaguar, Volvo und Linde, ist das „eine absurde Manipulation“: Denn eigentlich wissen alle, dass das mit der Realität nicht viel zu tun hat. Wer elektrisch fährt, emittiert natürlich indirekt CO2. Der Strom zum Laden der Autos wird noch lange nicht emissionsfrei erzeugt. Kein seriöser Wissenschaftler, kein Tesla– oder VW-Chef und keine Politikerin der vielen Parteien weltweit, die E-Autos massiv fördern, würde ernsthaft etwas anderes behaupten. Nicht die deutschen Grünen, nicht Hollands oder Norwegens Konservative, nicht die US-Demokraten.

Die EU verfolgt mit ihrem Rechentrick ein Doppel-Ziel: Neue Modelle mit Verbrennungsmotor, deren CO2-Ausstoß je Kilometer seit Jahrzehnten kaum noch sinkt und die diesen hohen CO2-Ausstoß auf Jahre zementieren würden, sollen möglichst nicht mehr viele in den Markt. E-Autos dagegen emittieren indirekt in fast allen europäischen Ländern schon heute weniger CO2 als Benziner und Diesel, und sie haben vor allem Potenzial: Gelingt die Energiewende und wird die Kilowattstunde (kWh) Strom künftig mit immer weniger CO2 erzeugt, nähern sich die E-Autos auch physisch dem Ziel, das das Gesetzespapier schon vorgaukelt. 

So weit die Politik. Aber wie viel CO2 verursacht nun wirklich, wer nicht auf 100 Prozent Grünstrom ab 2045 oder später warten will und heute schon ein E-Auto kauft? Und um wie viel Strom für die E-Autos geht es? McKinsey hat berechnet, dass die durch die neuen EU-Ziele bis 2030 benötigten rund 65 Millionen E-Autos den jährlichen Strombedarf der EU gegenüber heute um vier Prozent steigen lassen werden. In Deutschland bräuchte eine komplett elektrische Pkw Flotte von 47 Millionen Autos rund 120 Terawattstunden (TWh) pro Jahr, also etwa 15 Prozent der heutigen Bruttostromerzeugung. Insgesamt würde der Energiebedarf des Verkehrs durch seine Elektrifizierung zwar sinken, weil E-Autos effizienter als Diesel und Benziner sind, aber der Stromverbrauch nähme zu.  

Und wie viel CO2 sparte das ein? Das kommt dann vor allem auf den Strommix an, mit dem man diese E-Autos lädt. Geht man davon aus, dass Elektroautos übers Jahr gesehen ungefähr den Durchschnittsstrom laden, ist ihr indirekter Klimafußabdruck leicht zu errechnen: Man benötigt ihren Verbrauch (in kWh pro Kilometer), und die Menge an CO2, die im Jahresmittel mit dem deutschen Kraftwerkspark pro kWh anfällt.

Im Kraftwerkspark gibt es Wind- und Fotovoltaikanlagen sowie Wasserkraft, Atomkraft und Biogas, also CO2-arme Erzeuger, ebenso wie Öl-, Gas- und Kohlekraftwerke. 2020 entstanden im Mittel laut vorläufigen Daten des Umweltbundesamts 366 Gramm pro Kilowattstunde deutschen Stroms, immerhin 400 Gramm oder 52 Prozent weniger als noch 1990. Bei einem durchschnittlichen Verbrauch der E-Autos auf 100 Kilometer von 18 kWh macht das rund 66 Gramm CO2 je Kilometer oder 6,6 Kilogramm auf 100 Kilometer.

Das ist nicht null, wie der Gesetzgeber suggeriert, aber auch weniger als halb so viel wie bei einem Diesel oder Benziner: Hier entstehen pro Liter verbranntem Dieselöl 2,67 Kilogramm CO2 (Benzin: 2,38); bei einem durchschnittlichen Verbrauch von 6,2 Litern auf 100 Kilometer also 166 Gramm je KM. Dazu kommt jeweils noch eine Vorkette aus Raffinerie, Tankschiff/Pipeline, Förderung und (beim Strom) aus der Erzeugung und dem Transport der Primärenergieträger wie Kohle, Öl, Gas und Uran. Die ist bei beiden Antriebsarten ungefähr gleich groß und im Verhältnis zum Fahrstrom oder Sprit klein, sodass sie für einen groben Vergleich vernachlässigbar ist.

Die Sache mit dem Rucksack

Nicht vernachlässigbar ist dagegen das CO2, das bei der Herstellung der jeweiligen Autos entsteht. Da schleppt das E-Auto seinen CO2-Rucksack in den Vergleich. Im Wesentlichen, weil die Herstellung der großen Antriebsbatterie energie- und damit CO2-intensiver ist als die im Gegenzug wegfallenden Verbrenner-Teile wie Motor, Getriebe, Abgasreinigung, Kühlung, Tank.

Über die Größe dieses Rucksacks kursierten in den Jahren 2017 bis 2019 teilweise grotesk überhöhte Zahlen. Inzwischen weiß man recht gut, wie viel CO2 bei der Batterieproduktion tatsächlich anfällt. Laut dem schwedischen IVL Institut nämlich nur noch halb so viel wie vor einigen Jahren: je nach Standort der Batteriefabrik 60 bis 100 Kilogramm je kWh Akkukapazität. Auch das renommierte Argonne-Institut in Chicago rechnet im weltweiten Mittel mit 73 Kilogramm. Das ergibt bei einem mittelgroßen Akku (55 kWh) etwa vier Tonnen CO2 aus der Batterieherstellung. Das E-Auto braucht also etwa 45.000 Kilometer, bis es gegenüber dem Diesel dank seines nur halb so hohen CO2-Ausstoßes beim Fahren den Rucksack aufgeholt hat. Da moderne Autos ein Vielfaches dieser 45.000 Kilometer halten, ist die Rechnung unterm Strich eindeutig.

Stimmt nicht! Sagte vor zwei Wochen eine Gruppe von sechs Forschenden unter der Führung des Karlsruher Verbrennungsmotorenspezialisten Thomas Koch. Sie argumentieren: Weil E-Autos neue, zusätzliche Stromverbraucher sind, zu denen es eine Alternative gäbe (Diesel und Benziner), laden sie nicht einfach den Durchschnittsstrom. Weil der Anteil der Erneuerbaren im Netz begrenzt und tendenziell zu gering sei, müsse, wenn ein E-Auto ans Netz gehe, das sogenannte marginale Kraftwerk anspringen. Das marginale Kraftwerk ist der Teil des Kraftwerkparks, der hochgefahren werden muss, wenn akut der Strombedarf die Erzeugung übersteigt. Und weil dieses marginale Kraftwerk in Deutschland fast immer fossil sei (Kohle), würden E-Autos tatsächlich einen viel dreckigeren Strom als der Durchschnitt aller Stromverbraucher (Strommix) laden. Klingt logisch, ist aber leider ebenfalls zu einfach gedacht.

Das marginale Kraftwerk

Richtig an Kochs Einwand ist: Der Strom aus dem marginalen Kraftwerk ist CO2-lastiger als der Strommix. Das ist logisch, schließlich lassen sich die emissionsarmen Erneuerbaren wie Wind und Sonne nicht bei Bedarf anknipsen, Gaskraftwerke schon. Man kann aber einem einzelnen Verbraucher-Typus nicht seriös immer den Strom aus dem marginalen Kraftwerk zuordnen. Nach Kochs Logik wäre auch ein Uralt-Kühlschrank mit 1940er-Jahre-Effizienz einem neuen A++ Model vorzuziehen, solange er nur früh genug eingeschaltet wird – nämlich bevor andere, konkurrierende Verbraucher ans Netz gehen.

Und man müsste den dreckigen Marginalstrom allen neu ans Netz gehenden Verbrauchern zurechnen, sofern es nicht-elektrische Ausweichtechnologien gibt, denn sie erzeugen in dieser Logik alle einen vermeidbaren Mehrverbrauch. Man müsste Ölheizungen statt Wärmepumpen fördern, E-Loks durch Dampfloks ersetzen, neue Gas- statt E-Herde in der Küche installieren, und kaputte Glühbirnen gegen Petroleumlampen statt mit LEDs austauschen. Immer wäre der Strommix einfacher zu handhaben und tendenziell auch „grüner“, wenn es die neuen Strom-Verbraucher nicht gäbe.

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Selbst wenn man dem Argument folgt, dass E-Autos von allen neuen Verbrauchern die überflüssigsten seien, weil es eine gute Alternative, den Diesel gebe, geht die Rechnung nicht auf. Denn E-Autos sind unbestritten etwa um den Faktor 2,5 Energie-effizienter als Autos mit Verbrennungsmotor. „Es wäre im Gesamtsystem daher sogar effizienter, Diesel in ein Kraftwerk zu schütten und zu verstromen, um damit E-Autos zu laden, als ihn im Auto mit einem schlechteren Wirkungsgrad zu verfahren“, sagt Max Fichtner, Professor für Energiespeichersysteme am Helmholtz Institut in Ulm und am Karlsruhe Institut für Technologie. „Selbst wenn man dem E-Auto die CO2-Emissionen des marginalen Kraftwerksparks zurechnet, wäre es noch weniger CO2 als bei einem Diesel“, so Fichtner.

Mit der Empirie ist die Marginalmix-Theorie kaum in Einklang zu bringen. Denn natürlich laden viele ihr E-Auto auch im Sommer und bei viel Wind, wenn ein Überschuss an Erneuerbaren im Netz ist. Um ein halbwegs realistisches Bild des Stroms zu zeichnen, den Elektroautos bekommen, „braucht man zunächst verlässliche Daten darüber, wann wie viele E-Autos tatsächlich laden. Die muss man dann möglichst zeitgenau mit dem dann jeweils aktuellen Marginalmix abgleichen“, sagt Wolf-Peter Schill, Ingenieur und Ökonom am DIW in Berlin, der zum Strommix forscht.

Solche Modellrechnungen gibt es. Sie zeigen: Es ist nicht möglich, mit einem E-Auto das ganze Jahr fossilen Strom zu laden. Richtig ist aber auch: Solange Erneuerbare nicht in beliebiger Menge zur Verfügung stehen, erhöhen viele neue Verbraucher den Anteil marginaler Kraftwerke. Das gilt für Wärmepumpen ebenso wie für Millionen neuer E-Autos oder spät elektrifizierte Bahnstrecken.

Nachfrage besser auf das Angebot abstimmen

Die Marginal-Theorie übersieht auch, dass die Strom-Nachfrage durch E-Autos flexibel handhabbar ist. „Elektroautos müssen nicht sofort geladen werden, nachdem die Besitzer nach Hause gekommen sind“, sagt Matthias Huber, Professor für Energiewirtschaft an der Technischen Hochschule Deggendorf. Das ist meistens zwischen 19 und 22 Uhr der Fall, wenn es ohnehin schon eine Nachfragespitze gibt. Doch Elektroautos haben Batterien von 50, 70 oder gar 100 kWh, was dem rund Zehnfachen ihres durchschnittlichen Fahrstrombedarfs pro Tag entspricht. Das bedeutet, sie könnten auch zeitlich flexibel laden, ohne dass die Besitzer am nächsten Tag stranden. Idealerweise würden sie geladen, wenn gerade viel Wind- oder Sonnenstrom im Netz ist.

Dominik Husarek, Energiemarktforscher bei Siemens, hat es im Rahmen seiner Doktorarbeit durchkalkuliert: Welchen Strom laden E-Autos, wenn man die tatsächlichen Lade-Zeitpunkte kennt? Ergebnis: Weder die Mix-Methode noch der Ansatz, dem E-Auto immer den temporär dreckigsten Strom zuzurechnen, bilden die Wirklichkeit ab. Aber der Mix stimmt auf das ganze Jahr gesehen schon eher.

„Anders als bei der reinen Marginalmix-Methode unterstellt, ist der CO2-Ausstoß des Strommix keine Konstante, sondern er ändert sich quasi stündlich“, sagt Husarek. Nach seinen Berechnungen verursachen E-Autos heute zwar etwas mehr CO2 als die weiter oben errechneten 66 Gramm, wenn man nicht einfach den Jahresstrommix annimmt, sondern die tatsächlichen Ladezeitpunkte und den jeweiligen zeitgenauen Mix einbezieht. 75 Gramm sind es laut Husarek. Aber das Potenzial ist immens: „Bis 2030 kann sich dieser Wert um 91 Prozent verringern.“ Allein das flexible Laden je nach Angebot an Grünstrom im Netz senke die Emissionen dabei um 32 Prozentpunkte.

Skandinavien macht es vor

Damit das aber klappen kann, muss der grüne Strom nicht nur erzeugt werden, er muss auch zur richtigen Zeit an den richtigen Ort. Helfen würden flexible Stromtarife, damit die Autobesitzerinnen einen Anreiz haben, nicht sofort zu laden, sondern vielleicht ein paar Stunden zu warten, bis Windüberschuss herrscht. Dazu wären flächendeckend Smart Meter nötig – intelligente digitale Stromzähler, die erfassen, wann welcher Hausanschluss wie viel Leistung zieht und diese Informationen an die Netzbetreiber kommunizieren können. Leider hat Deutschland, anders als Skandinavien, Italien oder Estland, deren flächendeckenden Einsatz gebremst. Eigentlich, so sieht es eine EU-Richtlinie von 2005 vor, sollte bis 2020 jeder Haushalt damit ausgestattet sein. Tatsächlich haben erst 12,3 Prozent der Haushalte einen solchen Zähler. Die Einbaupflicht wurde auf 2032 ausgedehnt. https://cloud.redaktion.wiwo.de/overnighter_Newsletter_SignUp_frame_49?newsletter=a0O2o00000uoFAOEA2

Deutsche Stromkunden profitieren bisher nicht vom schwankenden Grünstromangebot. Dass das möglich ist, macht Skandinavien vor: „Norweger und Schweden laden ihre E-Autos und heizen ihr Duschwasser inzwischen wie selbstverständlich in Zeiten mit viel Stromüberschuss an der Osloer Strombörse Nord Pool“, sagt Marion Nöldgen, Chefin des Stromanbieters Tibber. Die nötige Digitalisierung der Netze haben die beiden Staaten schon vor mehr als zehn Jahren umgesetzt. Schwedens Haushalte sind seit 2009 flächendeckend mit smarten Zählern ausgestattet. Auch in den Niederlanden können 85 Prozent der Stromzähler digital die Verbräuche melden.

Wären die Smart Meter einmal da, wäre die Software auch in Deutschland schnell einsatzbereit. Die Algorithmen, die die Daten zum Angebot von der Strombörse sinnvoll auf die zur Nachfrage abstimmen, tun in Skandinavien bereits ihre Arbeit. Schweden und Norwegen etwa haben schon vor 20 Jahren begonnen, die Daten der Verbraucher in einem zentralen Datenpool auszuwerten.

Die Daten allerdings sind nur das eine. Das Stromnetz muss auch physisch mitspielen. „Man kann keine x-beliebige Strommenge in Echtzeit vom Erzeuger zum Endverbraucher durchleiten, es kann dabei auch zu physischen Engpässen kommen“, sagt Müller. „Für die Integration von Millionen neuer Verbraucher wie E-Autos, Wärmepumpen ist das Netz nicht gebaut worden“, so Müller, „an einigen Stellen muss es ertüchtigt werden.“

Schon heute ist der Stromfluss komplex: Die Netzbetreiber müssen bei jedem Stromvertrag, der an der Strombörse abgeschlossen wird, prüfen, ob die Lieferung physikalisch möglich ist. „Wenn nicht, müssen sie das Handelsergebnis von der Börse physisch korrigieren, damit der Stromfluss stattfinden kann, ohne dass ihr Netz an die Grenze gerät“, sagt Müller. Ein bekanntes Beispiel für diesen sogenannten Redispatch ist das Nord-Süd-Gefälle der Windenergie: viel Wind im Norden, viel Verbrauch im industriellen Süden. Ist Windstrom im Angebot und die Industrie meldet Bedarf, „müssen Kraftwerke im Norden heruntergeregelt und im Süden welche zugeschaltet werden, damit der Stromfluss klappt“, sagt Müller. Dieser Redispatch ist teuer, er kommt aus Speicherbatterien oder kleinen Gasturbinen.

Dem Netz hilft deshalb jeder Stromfluss, der gar nicht erst umgeleitet werden muss. Etwa wenn Besitzer von Solaranlagen die selbst erzeugte Energie direkt nutzen, um ihre E-Autos zu laden. „Das schont die Netze und die privaten Geldbörsen“, sagt Strommarkt-Forscher Thorsten Lenck vom Thinktank Agora. Denn Strom aus der eigenen Solaranlage kostet, je nach Standort und Größe, derzeit nur 7 bis 11 Cent pro kWh – rund ein Drittel des Stroms vom Versorger. Immerhin: Rund die Hälfte dieses künftigen Strombedarfs sei „bei näherer Betrachtung flexibel abrufbar, also nicht zeitlich gebunden“, so Energiemanager Marco Wünsch vom Forschungsinstitut Prognos.

Das Potenzial ist also da.

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Tip von Ingo

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