Professor Wietschels vergebliche Suche nach dem „Grenznachfrager“

Kai Ruhsert 8. Juli 2021 Bildung, Politik, Umwelt Comments (1)

Am 25. Juni erschien in der Süddeutschen Zeitung ein Beitrag über einen offenen Brief an die EU-Kommission, in dem die systematische Unterbewertung der CO₂-Emissionen von E-Autos beanstandet wird.

Der SZ-Artikel kritisiert diese Initiative und zitiert drei Experten, darunter Prof. Martin Wietschel vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe. Dieser ist dafür bekannt, die Durchschnittsstrom-Emissionen als Basis für Lebenszyklusanalysen des E-Autos so engagiert wie kaum jemand sonst zu verteidigen.

Wietschel sagte lt. SZ:

„Wer entscheidet nach welchen Kriterien, welche der Anwendungen Grenznachfrager nach Strom ist und deshalb mit den Grenzemissionen zu belasten ist.“

SZ-Autor Schrader dazu:

„Das sei nicht praktikabel. Wenn man aber – wie üblich – die gesamten Treibhausgasemissionen des Stromsystems und alle Verbraucher berücksichtige, stimme die Mathematik.“

Die von Wietschel propagierte Methodik hat sich in den letzten Jahren auf breiter Linie durchgesetzt. Begründungen werden generell nicht mehr für nötig gehalten. Als typisches Beispiel sei die Veröffentlichung “Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen“ des IFEU vom Dezember 2019 genannt. Zur Stromherstellung heißt es dort lapidar: „Für alle alternativen Pfade wird jeweils der gleiche mittlere Strommix in Deutschland angenommen.“ Nach Begriffen wie Marginal- oder Zusatzstrom sucht man darin vergebens.

Das ISI-Papier „Die aktuelle Treibhausgasemissionsbilanz von Elektrofahrzeugen in Deutschland“ stellt in dieser Hinsicht eine etwas kuriose Ausnahme dar. Wietschel schreibt:

„Teilweise werden in Studien auch die stündlichen THG-Emissionen des Grenzkraftwerks zur Bewertung der THG-Emissionen für BEV angesetzt … Kritisch hieran ist, dass die Wahl der Anwendung, die die letzte nachgefragte stündliche Kilowattstunde Strom nachfragt, stark Annahmen getrieben ist. Jede der Anwendungen, die dann diese letzte Kilowattstunde nachfragt, schneidet schlecht ab, weil, wie in Abschnitt 4.1 dargestellt, das Grenzkraftwerk i.d.R. ein fossiles Kraftwerk ist und damit höhere THG-Emissionen aufweist als der durchschnittliche Strommix der jeweiligen Stunde.“

In diesen Kontext Begriffe wie „stündliche THG-Emissionen“ sowie „letzte nachgefragte stündliche Kilowattstunde“ einzustreuen, lenkt die Aufmerksamkeit des Lesers auf den einzelnen Verbraucher, der zu einem bestimmten Zeitpunkt dem Netz als Letzter Strom entnimmt. Nur wenn dieser eindeutig bestimmt werden könne, sei eine Zusatzstrombetrachtung sinnvoll, so Wietschels Botschaft:

„Sagt man, dass die Wärmepumpen bis 2030 einen hohen Anteil an der Stromnachfrage haben und untersucht dann die THG-Emissionen für BEV, dann schneiden diese als “Grenznachfrager” schlecht ab, die Wärmpumpen hingegen gut. Dreht man es um und lastet zuerst die BEV in das Stromsystem ein und untersucht anschließend die Effekte der Wärmepumpe, dreht sich das Ergebnis gerade andersherum. Zur Illustration siehe Abbildung 5.^*1 Diese zeigt, dass Veränderungen der Gesamtstromnachfrage sowie der Systemlast bis zum Jahr 2030 durch eine Reihe an neuen Nachfragern verursacht ist. Deshalb wird dieser Ansatz verworfen.“

Damit führt Wietschel den Leser in die Irre. Denn woher der Strom stammt, den ein bestimmter Verbraucher zu einem bestimmten Zeitpunkt aus dem öffentlichen Netz bezieht, ist eine Frage, die sich prinzipiell nur sehr ungenau beantworten lässt.^*2 Genau das macht ihren Wert aus, sofern das eigentliche Ziel darin besteht, der sachlich gebotenen Anwendung der Marginalstrombetrachtung eine unüberwindlich erscheinende Hürde in den Weg zu legen. Tatsächlich ist die zeitliche Reihenfolge, in der die einzelnen Verbraucher dem Stromnetz zugeschaltet werden, im Kontext einer Lebenszyklusanalyse vollkommen irrelevant. Möchte man für ein bestimmtes, neues Produkt eine Klimabilanz erstellen, so sind ganz andere Fragen zu beantworten: Wie wirkt sich der kumulierte Zusatzstrombedarf dieses Produktsegments auf den Strommix aus? Welche Kraftwerke werden ihre Leistung erhöhen? Wieviel CO₂ werden diese zusätzlich emittieren?

Im Falle des zusätzlichen, d.h. neu in den Markt einzuführenden Produkts Elektroauto kann die Zusammensetzung des fossilen Strommix entweder als Durchschnittswert über einen betrachteten Zeitraum abgeschätzt oder mittels numerischer Modellierung ermittelt werden. 2010 wurden dabei eindeutige Ergebnisse erzielt:

„Am DIW Berlin wurden mit einer erweiterten Version des Strommarktmodells ElStorM die Mengen- und Preiseffekte einer gesteuerten, kostenminimierenden Aufladung verschiedener Elektrofahrzeugflotten für eine beispielhafte Woche analysiert … Die zusätzliche Stromnachfrage von Elektrofahrzeugen führt – ohne die Berücksichtigung erneuerbarer Erzeugungskapazitäten – vor allem zu einer höheren Auslastung von Kohlekraftwerken. … Daher sollten bei der Berechnung fahrzeugbedingter CO₂-Emissionen derzeit die Emissionen von Kohlekraftwerken angenommen werden und nicht der durchschnittliche deutsche Kraftwerksmix.“

Daran hat sich seither nichts geändert. Die Denkfabrik AGORA berichtet über das Jahr 2020, als der Stromverbrauch wegen der Corona-Krise sank:

„Insbesondere die Kohleverstromung erreichte einen neuen Tiefststand seit Beginn der ganzheitlichen Aufzeichnung im Jahr 1990. … Der Nachfragerückgang wirkte sich fast ausschließlich auf die fossile Energieerzeugung aus, da diese in der Merit-Order – die Einsatzreihenfolge der Kraftwerke beim Verkauf von Strom an der Börse – hinter den Erneuerbaren Energien stehen und somit als erste ihre Erzeugung reduzieren.“

Das sind recht überschaubare Zusammenhänge: Weniger E-Autos, weniger Kohlestrom; mehr E-Autos, mehr Kohlestrom.^*3

Prof. Wietschel hingegen kommt ausgehend von seinen falschen Annahmen zu haarsträubend falschen Schlussfolgerungen:

„Stellenweise wird argumentiert, dass, solange Braunkohlekraftwerke (oder andere Kohlekraftwerke) noch in Betrieb sind, die zusätzliche Stromnachfrage aus BEV gegen diese zu bilanzieren sind. Auch hier kommt die Frage auf, welche neue Stromanwendung, z. B. BEV, neue IKT-Anwendungen, Wärmepumpen, Bahnstrom, Klimaanlagen etc. die letzte neue Nachfrage bilden (siehe auch die Diskussion in Kapitel 4.6 und die dort aufgezeigten Änderungen in den Anwendungen, die künftig Strom nachfragen). Dies kann wissenschaftlich nicht beantwortet werden.“

Das Umweltbundesamt sah sich durchaus in der Lage, diese Frage sinnvoll zu beantworten – indem es nicht nach einzelnen Verbrauchern fahndete, sondern die Folgen der Zuschaltung neuer Nachfragesegmente untersuchte: ^*4

„Dies zeigt sich besonders deutlich im Marginalmix, also dem Strommix, der konkret der ‚Betankung‘ von Elektrofahrzeugen zugeordnet werden kann, wenn man annimmt, dass diese unter sonst gleichen Bedingungen als zusätzliches Marktsegment dazu stoßen.“

Folgte man Prof. Wietschels (auf die Reihenfolge der Zuschaltung individueller Verbraucher verengter) Logik, so könnte überhaupt keinem Stromabnehmer Zusatzstrom zugeordnet werden – weil es schon einen kurzen Augenblick später immer jemanden geben wird, der noch später zugeschaltet wurde. Tatsächlich wird der zusätzliche Strom für Elektroautos in beiden, von Wietschel genannten Fällen – mit und ohne Wärmepumpen – von fossilen Kraftwerken erzeugt. Um mit seinen Worten zu sprechen: „Letzter Nachfrager“ ist stets das Produkt, dessen Klimabilanz zu erstellen ist.

Wietschel schreibt ferner:

“Weiterhin geht die Nachfrage nach Strom aus klassischer Weißer Ware (Kühlschränke, Waschmaschinen…) eher zurück … und man müsste die Frage beantworten, welche neue Anwendung die entstehende Lücke füllt.“

Dieser Exkurs zu anderen, stromverbrauchenden Anwendungen stellt einen bemerkenswerten Verstoß gegen die Ceteris-paribus-Klausel dar:

„Ceteris paribus bedeutet sinngemäß „unter sonst gleichen Bedingungen“. … Will man herausfinden, wie eine erste Variable eine zweite beeinflusst, schaut man sich mehrere Situationen an, in denen beide auftauchen. Ceteris paribus verlangt nun, dass alle anderen Bedingungen gleich bleiben müssen. Damit soll ausgeschlossen werden, dass eine dritte, vierte usw. Variable den beobachteten Effekt mit beeinflusst, und somit sichergestellt werden, dass die Ergebnisse der Untersuchung ausschließlich den Zusammenhang zwischen abhängiger und unabhängiger Variable beschreiben.
Ceteris paribus ist eine wesentliche Voraussetzung für interne Validität.“

Für aussagekräftige Klimabilanzen neuer stromverbrauchender Produkte ist stets der Einfluss genau dieses Stromverbrauchers auf die Stromproduktion zu betrachten. Werden weitere stromverbrauchende Anwendungen einbezogen (die diesen Einfluss kompensieren oder verstärken können), so ist eben nicht mehr „sichergestellt … dass die Ergebnisse der Untersuchung ausschließlich den Zusammenhang zwischen abhängiger und unabhängiger Variable beschreiben.“

Die Auswirkungen des Ladestrom-Zusatzbedarfs auf die Stromerzeugung lassen sich recht einfach grafisch darstellen:

^{Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Merit_Order_2008_edited_by_Source_crtitic_necessary_-edited_in_PPT.png}

Zu sehen ist eine Prinzipdarstellung der so genannten Merit Order (der preisorientierten Zukaufsreihenfolge von Strom). „Residuallast“ ist die Strommenge, die nicht regenerativ erzeugt werden kann. Die senkrechten schwarzen Striche markieren beispielhaft die Ladestrom-Zusatzproduktion. GuD steht für Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk.

Die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien richtet sich fast ganz nach Sonne und Wind und ist nicht regelbar. Grünstrom wird praktisch immer mit der höchsten, vom Wetter gerade ermöglichten Leistung produziert und muss aufgrund des Vorrangs für EE immer abgenommen werden. Zusätzlicher Bedarf muss stets von den in der Grafik dargestellten Kraftwerken gedeckt werden.

Dies vorausgeschickt, lässt die Grafik auf den ersten Blick schon erkennen: Trennte man alle E-Autos vom Netz, so würde nur die Fossilstromproduktion verringert werden. Wietschel hingegen behauptet sinngemäß: Weil nicht bekannt ist, welches Residuallast-Kraftwerk genau einen ganz bestimmten Verbraucher versorgt, kenne man die genauen Emissionen nicht. Daraus leitet er tatsächlich die Schlussfolgerung ab, man dürfe einfach ignorieren, dass Grünstrom nichts, aber auch gar nichts zum Zusatzstrom beiträgt, und für Klimabilanzen unbekümmert Durchschnittsstrom verwenden, der auch Grünstrom enthält – gerade so, als ob dessen Produktion doch dem Bedarf entsprechend regelbar wäre. Das ist zweifelsfrei falsch.

Welches ist die wissenschaftlich korrekte Vorgehensweise? Da feststeht, dass bei Mehrbedarf stets fossile Kraftwerke die Leistung erhöhen müssen, ist ein sinnvoller fossiler Strommix, ein Marginalstrommix, zu definieren. Genau das haben andere Institute getan. Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft etwa veröffentlichte im Mai 2018 eine Arbeit mit dem Titel EU Displacement Mix – A Simplified Marginal Method to Determine Environmental Factors for Technologies Coupling Heat and Power in the European Union.

Für Deutschland wurde darin ein Verdrängungs-Strommix von 1100 g CO₂/kWh ermittelt. Der bereits erwähnte Bericht von AGORA, wonach 2020 fast nur Kohlekraftwerke ihre Leistung mit dem Bedarf verringerten, ist der empirische Beleg für die Richtigkeit der von der FfE vorgeschlagenen Methodik.

Gegen Ende seiner Ausführungen zur Marginalbetrachtung schreibt Wietschel im bereits zitierten Papier „Die aktuelle Treibhausgasemissionsbilanz von Elektrofahrzeugen in Deutschland“ Überraschendes:

„Eine andere Frage, die in Stahl (2019) aufgeworfen wird, ist, ob man nicht lieber eine Kilowattstunde EE dazu verwenden sollte, eine Kilowattstunde Braunkohlestrom zu substituieren oder ein BEV zu betreiben. In dem Beitrag von Stahl (2019) wird berechnet, dass die Braunkohlestromsubstitution zu einer höheren CO₂-Einsparung führt und deshalb BEV heute als Klimakiller zu bezeichnen seien (Stahl 2019).“

Stahls Berechnungsergebnisse widerlegen Prof. Wietschels Behauptungen vollständig. Dieser versucht gar nicht erst eine inhaltliche Entgegnung, sondern setzt unvermittelt zu einer Suade an:

„Der Beitrag lässt drei wesentliche Aspekte außer Betracht. Zum einen geht es nicht um ein entweder oder. Zur Erreichung ambitionierter Klimaschutzziele muss aus der Braunkohleerzeugung ausgestiegen werden (oder zumindest eine CO2-Abscheidung und Speicherung bei Kohlekraftwerken vorgesehen werden) und es müssen BEV (oder andere auf emissionsfreien Quellen basierende Antriebssysteme für Pkw) eingeführt werden. In diesem Punkt sind sich alle relevanten nationalen und internationalen Studien zu Klimaschutzzielen einig (siehe z. B. BDI 2018). Eine sukzessive Vorgehensweise – erst das Abschalten von Braunkohlekraftwerken und dann die Einführung von BEV – ist wegen den Zeitkonstanten und der Marktdiffusionsgeschwindigkeit notwendiger Technologien nicht zielführend. Aus der Braunkohle wird man aus Gründen der Versorgungssicherheit, des Strukturwandels und der sozialen Gerechtigkeit schrittweise aussteigen. Neue Technologien wie die Elektromobilität hingegen brauchen Jahrzehnte, bis relevante Marktanteile erreicht werden.“

Damit eröffnet Wietschel einen neuen und, vorsichtig ausgedrückt, vom bisher Gesagten weitgehend unabhängigen Gesprächsstrang. Ob dies eine systematisch falsche CO₂-Bilanzierung des Elektroautos rechtfertigt, möge jeder Leser für sich beurteilen.

*^{1 Abbildung 5 ist beschriftet mit „Laständerung ausgewählter Prozesse und Anwendungen zwischen 2015 und 2030“}

^{*2 Im Grunde lässt sich nur sagen, dass der Strom aus Kraftwerken der Region stammt}

^{*3 Solange fossile Kraftwerke die Regelleistung stellen, ist zudem die Behauptung irreführend, zusätzliche Stromverbraucher wie E-Autos tankten immer mehr grünen Strom. Diese können von der steigenden Ökostromquote nicht profitieren, da es nur auf den Marginalstrommix ankommt.}

^{*4 Das Zitat stammt von 2016. In neueren Veröffentlichungen ist auch das UBA kommentarlos (!) zum Durchschnittsstrommix umgeschwenkt.}

_{Beitragsbild: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/18/Inquisition.jpg/800px-Inquisition.jpg}

1 thought on “Professor Wietschels vergebliche Suche nach dem „Grenznachfrager“”

Ebel sagt:

8. Juli 2021 um 20:55 Uhr

Ohne Ergänzung der Infrastruktur werden noch lange Zeit E-Fahrzeuge mehr CO2 freisetzen als Fahrzeuge mit fossilen Kraftstoffen. Es kommt manchmal vor, daß regenerative Energiequellen mehr Strom bereit stellen können, als abgenommen wird und dann gedrosselt werden. Würde durch ein Zusatzsignal im Leitungsnetz der Preis pro kWh dann beispielsweise halbiert, dann würden Verbraucher vorzugsweise dann verbrauchen, wenn sonst die Ökostrombereitstellung gedrosselt würde.

Damit würde dann wirkliches Interesse bestehen, als Ladestrom Ökostrom zu beziehen und nicht den Strommix. So lange diese Infrastruktur nicht vorhanden ist, wird der zusätzliche Strombedarf durch längere Betriebsdauer fossiler Kraftwerke gedeckt.

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