ERoEI: Energy Return on Energy Invested

ERoEI: Energy Return on Energy Invested

Bei Anlagen zur Nutzenergieerzeugung ist es sinnvoll, die über ihre Lebensdauer zu erwartende Produktion an Nutzenergie (Energy Return) mit dem Energieaufwand zu vergleichen, der notwendig ist, um die Anlage zu erstellen und zu betreiben (Energy Invested). Solche Betrachtungen sind besonders angebracht und aufschlussreich bei Anlagetypen, die mit niedriger Energiedichte (Energieertrag pro Flächen- oder pro Volumeneinheit u.a.) arbeiten.

Der ERoEI – zu Deutsch auch Erntefaktor - ist ein dimensionsloser Quotient, der im Zähler die gesamte durch eine Anlage produzierte Nutzenergie (Output) ausweist und im Nenner die Summe des gesamten Energieaufwandes (Input) zu deren Erstellung und Betrieb. Theoretisch sind drei Fälle zu unterscheiden – immer bezogen auf die relevante Lebensdauer und Betriebszeit einer Anlage:

a)  ERoEI > 1: Die Anlage produziert mehr Nutzenergie, als zu ihrer Erstellung und Betrieb aufzuwenden ist. Diese Anlage produziert netto Energie.

b)  ERoEI = 1: Nutzenergieerzeugung und Energieaufwand zur Erstellung und Betrieb der Anlage halten sich in Balance. Diese Anlage produziert netto keine Energie.

c)  ERoEI < 1: Die Anlage produziert weniger Nutzenergie, als zu ihrer Erstellung und Betrieb aufzuwenden ist. Diese Anlage vernichtet netto Energie.

Für die praktische Beurteilung ist diese rein theoretische Unterscheidung zu messerscharf. Technische Vernunft muss mit ökonomischen Erwägungen ergänzt werden. Praktisch sinnvolle Grenzen sind etwa folgendermassen zu legen:

A) ERoEI >> 1 (deutlich grösser als 1): Interessant!

B) ERoEI etwas grösser als 1, um 1 oder kleiner als 1: Hände weg von solchen Anlagen oder Systemen.

(Die Autoren der nachfolgend genannten Studie (2) erachten einen ERoEI von weniger als 5 schon als kritisch!)

Wie erwähnt, sind ERoEI-Überlegungen besonders dann angebracht, wenn Anwendung von Anlagen und Verfahren zu beurteilen sind, deren (naturgegebene) Energiedichte gering ist beziehungsweise deren Energieaufwand zur Bereitstellung von Nutzenergie (markt- bzw. bedarfsgerecht) besonders hoch ist. Zu diesen Anlagetypen oder Verfahren gehören unzweifelhaft heutzutage so populär gewordene Techniken wie Wind- und Wellenkraft, Bio-Treibstoffe (1) und die Solarenergie, besonders in Form der Photovoltaik (PV).

ERoEI = 0.82:
Diese Anlage produziert netto keine Energie, sondern sie vernichtet Energie (Senke)!

Studie von Ferroni und Hopkirk

Der PV widmet sich eine Studie von Ferruccio Ferroni und Robert J. Hopkirk (2). Die Autoren analysieren die Energieausbeute von PV-Anlagen in Regionen mit moderater Sonneneinstrahlung wie in der Schweiz oder Deutschland. Sorgfältig klären sie zunächst Fragen der adäquaten Methodik, um dann die beiden entscheidenden Punkte zu beurteilen:

(1) die statistisch nachweisbare (realistische) Energieausbeute von siliziumbasierten PV-Anlagen über ihre statistisch nachweisbare (realistische) Lebensdauer.

(2) den mit der Materialherstellung und -beschaffung, Montage, Betrieb, Management, Unterhalt und Netzintegration relevanten notwendigen Energieaufwand.

Ferroni und Hopkirk kommen zum Ergebnis, dass in unseren Breitengraden für PV-Anlagen mit einem ERoEI  von 0.82 ( +/- 15%) zu rechnen ist. (Der beträchtliche, jedoch durchaus erwartungsgemässe Streubereich weist darauf hin, dass jede noch so aufwendige und sorgfältige Abschätzung der Einflüsse auf die systemischen Inputs und Outputs mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist.)

Die Autoren haben sich offensichtlich um sehr vorsichtige Annahmen bemüht, um zu pessimistischen Überlagerungen vorzubeugen. Dazu ein Beispiel: PV-Anlagen produzieren nicht bedarfsgerecht, sondern zufällig-intermittierend; damit PV-Strom trotzdem marktgerecht "aufbereitet" werden kann, ist Zwischenspeicherung notwendig, die mit erheblichen Energieverlusten verbunden ist. Ferroni und Hopkirk unterlegen ihren Berechnungen Hydrospeicherung als  Methode mit den geringsten Verlusten. Und sie gehen davon aus, dass nur 25% der PV-Produktion zwischengespeichert werden müssen.

Realistischerweise ist es freilich so, dass selbst im sonnigen Tagesverlauf bereits rund 30% der PV-Produktion für die Dunkelperiode gepuffert werden müssen. Weiter produzieren PV-Anlagen in unseren Breitengraden rund zwei Drittel des Stroms im Sommerhalbjahr, während der Verbrauch gerade entgegengesetzt zu zwei Dritteln im Winterhalbjahr anfällt. Selbst in der Energiestrategie 2050 wird deshalb damit gerechnet, dass mindestens ein Drittel der sömmerlichen PV-Produktion saisonal gespeichert werden müsste. Aus diesem Umständen folgt aber, dass die Speicherverluste kaum nur für 25% der Produktionszeit anfallen, wie die Autoren höchst vorsichtig annehmen, sondern für mindestens 66% der Zeit, was den mittleren ERoEI noch deutlich unter 0.8 drücken würde. Umso schwerer nachvollziehbar ist, dies nur nebenbei,  dass die Wende-Befürworter von alternativen Speichermethoden wie Batterien und besonders „Power to Gas to Power" (P2G2P) "schwärmen", deren Speicherwirkungsgrade noch deutlich unter dem Wirkungsgrad der Hydrospeicherung liegen. Im Fall von P2G2P liegt der Wirkungsgrad um die 20%, was das Zusammenspiel von PV mit derartigen Speichertechniken unter dem ERoEI-Aspekt geradezu ins Absurde abgleiten lässt.

Replik und Duplik

Beim politisch hochgeschaukelten Thema der Stromproduktion mittels PV-Technik, blieb eine Replik auf die Arbeit von Ferroni und Hopkirk, die der Anwendung dieser Technik in unseren Breitengraden letztlich ein vernichtendes Zeugnis ausstellt, nicht aus. Ein Autorenkollektiv versucht besonders die Annahmen zu zerzausen, welche Ferroni und Hopkirk zu Grunde liegen (Marco Raugei et al. 3). Mit weit optimistischeren, allerdings kaum durch praktische Erfahrungen gestützte Annahmen zum Flächenertrag, zur Leistungsabnahme durch Verschmutzung, zu Produktionsausfällen, zur Lebensdauer und zum Energieaufwand der Anlagen kommen Raugei und seine Kollegen auf einen ERoEI von 6.9 bis 8.1. Sie bewegen sich damit also immer noch nahe an der praktischen „Hände weg"-Grenze. Ferner ist anzumerken, dass sich ihre Kritik auch um die Methodik der Evaluierung von Systemgrenzen zur Festlegung der investierten Energie dreht. Sie setzt dabei auf einen Standard, der die Speicherung ausschliesst - ein schon fast übler Trick, weil dies einleuchtend fern jeglicher Anwendungspraxis ist. Würde die Replik die Speicherung auch nur gemäss den vorsichtigen Ansätzen von Ferroni und Hopkirk berücksichtigen, dann käme ihr ERoEI-Ergebnis trotz „schöngefärbten" Ertragswerten mit 3,8 schon klar im „Hände weg"-Bereich zu liegen.

Dies wiederum hat Ferroni und Hopkirk zusammen mit Alexandros Guekos zu einer Duplik veranlasst (4), in der mit von dieser Seite gewohnten Sorgfalt auf die Kritikpunkte der Replik eingegangen und die ursprünglich gemachte Kernaussage erhärtet wird:

Der Betrieb von Photovoltaikanlagen ist in unseren Breitengraden keine Quelle von Nutzenergie sondern eine Nutzenergie-Senke – sie produzieren über alles betrachtet keine Nutzenergie, sondern vernichten netto solche!

Anmerkung: Es kann nichtsdestotrotz auch in unseren Breitengraden durchaus sinnvolle Anwendungen der PV-Technik geben, dort, wo Versorgungssicherheit rund um die Uhr nicht gewährleistet werden muss, oder an abgelegenen Standorten (Alphütte), wo als alternative eine Stromleitung einen noch viel niedrigen ERoEI ergeben würde.

_______________________________

1. Untersuchungen zu Zeiten der Ölkrisen (1973 /79) haben nachgewiesen, dass die Produktion von Biotreibstoff einzig mit dem Ziel der Treibstofferzeugung (d.h. kein simultanes biologisches Zielprodukt wie Nahrung oder Kleidung) einen ERoEI<1 ausweist. Dies hat sich durch entsprechende Untersuchungen der EGL und Partner im ersten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts in Andalusien bestätigt.

2. „Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation" ELSEVIER, Ferruccio Ferroni, Robert J. Hopkirk , March 2016

3 .„Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation:A comprehensive response") ELSEVIER, Marco Raugei et al December 2016

4 .„Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation" ELSEVIER, Ferruccio Ferroni,Alexandros Guekos, Robert J. Hopkirk , March 2017

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Gäste - Martin Schlumpf am 08.07.2017
Andere Berechnung

Besten Dank für die genaue Beschreibung der Auseinandersetzung zum Papier von Ferroni/Hopkirk. Es ist immer wieder erstaunlich, die energetische Ineffizienz von PV-Anlagen zu erkennen!
Ergänzend zu dem hier gezeigten ERoEI-Wert von etwa 1, kann man die Berechnungen des Instituts für Festkörper-Kernphysik der TU Berlin hinzufügen: dort wird der Erntefaktor von PV-Anlagen Süddeutschlands mit 1.6 angegeben. Weitere Zahlen und Infos dazu in meinem Post "Energie-Ernetfaktor": http://www.schlumpf-argumente.ch/energie-erntefaktor/

Besten Dank für die genaue Beschreibung der Auseinandersetzung zum Papier von Ferroni/Hopkirk. Es ist immer wieder erstaunlich, die energetische Ineffizienz von PV-Anlagen zu erkennen! Ergänzend zu dem hier gezeigten ERoEI-Wert von etwa 1, kann man die Berechnungen des Instituts für Festkörper-Kernphysik der TU Berlin hinzufügen: dort wird der Erntefaktor von PV-Anlagen Süddeutschlands mit 1.6 angegeben. Weitere Zahlen und Infos dazu in meinem Post "Energie-Ernetfaktor": http://www.schlumpf-argumente.ch/energie-erntefaktor/
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