Emissionsvermeidung durch erneuerbare Energieträger

Fossile Energieträger werden in Deutschland zunehmend durch erneuerbare ersetzt. Das vermeidet Treibhausgase und Luftschadstoffe. Allerdings schlägt sich der steigende Anteil der Erneuerbaren nicht im gleichen Maße in zurückgehenden Emissionen im Treibhaugasinventar nieder. Mittels Komponentenzerlegung wird deutlich, welche Faktoren steigernd und welche mindernd auf den Treibhausgasausstoß wirken.

Inhaltsverzeichnis

 

Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger

Die steigende Nutzung erneuerbarer Energieträger wie Wind und Sonne führt zu einer Verdrängung fossiler Energien wie Kohle und Gas und somit zu einer zunehmenden Vermeidung klimaschädlicher Treibhausgase. Basierend auf den Daten zur Entwicklung der erneuerbaren Energien kann für das Jahr 2018 eine Treibhausgasvermeidung von rund 184 Millionen (Mio.) Tonnen CO2-Äquivalenten angenommen werden. Den größten Anteil an den vermiedenen Emissionen hatte dabei die regenerative Stromerzeugung. Auf den Stromsektor entfielen vermiedene Emissionen in Höhe von 141 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente. Durch die Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmesektor wurden Treibhausgase in Höhe von rund 35 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente vermieden, durch Biokraftstoffe ca. 8 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente.

Diagramm: Im Jahr 2018 wurden in Deutschland durch die Nutzung erneuerbarer Energien 183,7 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente vermieden. Davon 35,0 % durch Biomasse, 40,6 % durch Windenergie, 15,4 % durch Photovoltaik, und 6,8 % durch Wasserkraft.
Netto-Bilanz der vermiedenen Treibhausgas-Emissionen durch die Nutzung erneuerbarer Energien
Quelle: Umweltbundesamt unter Verwendung von Daten der AGEE-Stat Diagramm als PDF
 

Entwicklung des Treibhausgasinventars im Vergleich zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland

Im Treibhausgasinventar werden die Treibhausgasemissionen Deutschlands entsprechend der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und dem Kyoto-Protokoll berichtet. Danach wurden 2017 in Deutschland insgesamt 906,6 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente ausgestoßen. Das sind 4,4 Millionen Tonnen bzw. 0,5 Prozent weniger als 2016 und 27,5 Prozent weniger im Vergleich zu 1990. Schaut man sich die Entwicklung der Treibhausgase seit der Weltwirtschaftskrise 2008 an, stellt man fest, dass sie im Rahmen eines Korridors zwischen knapp 900 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente und etwas weniger als 950 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente schwanken. Im gleichen Zeitraum ist der Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch über alle Sektoren hinweg von knapp 9 % auf 14 % gestiegen.

Es wird ersichtlich, dass der steigende Anteil erneuerbarer Energieträger nicht immer einen proportional entsprechenden Rückgang der Emissionen im Treibhaugasinventar zu verzeichnen hat. Allein der starke Rückgang der Treibhausgasemissionen 2009, direkt nach der Wirtschaftskrise, macht deutlich, dass weitere Treiber einen starken Einfluss auf die Entwicklung der Treibhausgasemissionen haben. Als Treiber gelten dabei die wichtigsten Einflussfaktoren auf den Trend einer betrachteten Größe wie Strom oder Wärme, die einen relevanten Einfluss auf das Ansteigen oder Sinken der CO2-Emissionen haben. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Komponentenzerlegung energiebedingter Treibhausgasemissionen mit den Fokus auf den Ausbau erneuerbarer Energien“ hat das UBA den positiven Beitrag erneuerbarer Energien zur Emissionsreduktion im Vergleich zu weiteren Treibern mittels der Methode der Komponentenzerlegung von den Auftragnehmern Öko-Institut Berlin und ifeu Heidelberg untersuchen lassen.

Das Diagramm zeigt auf der linken Achse die Entwicklung der gesamten Treibhausgasemissionen (Balken), auf der rechten Achse den Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch (Linie) für die Jahre 2000-2017.
Treibhausgasemissionen und der Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch 2000-2017
Quelle: Umweltbundesamt
 

Komponentenzerlegung energiebedingter Treibhausgasemissionen mit Fokus auf dem Ausbau erneuerbarer Energien

Eine Komponentenzerlegung (oder Dekompositionsanalyse) kann verwendet werden, um den Beitrag wichtiger Treiber auf die zeitliche Entwicklung einer Variablen von Interesse (z.B. energiebedingte Treibhausgasemissionen) zu quantifizieren. Diese Quantifizierung erfolgt in der gleichen Einheit, in der die Variable gemessen wird (z.B. in Millionen Tonnen CO2-Äquivalente). Das hat einen Mehrwert, denn in der Regel werden die treibenden Kräfte hinter einer Entwicklung in anderen Einheiten gemessen und der Anteil, den sie an der Entwicklung haben, ist daher nicht direkt ersichtlich.

Die Komponentenzerlegung erfolgt in zweifacher Art und Weise: Zum einen werden die kumulierten Beiträge der einzelnen Komponenten gegenüber einem definierten Ausgangsjahr dargestellt und zum anderen wird die jährliche Entwicklung der einzelnen Treiber dargestellt. Dabei werden – entsprechend der Konvention der Methodik des nationalen Treibhausgasinventars – ausschließlich die direkten CO2-Emissionen betrachtet. Somit sind anders als bei der Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger die vorgelagerten, teilweise im Ausland entstehenden Emissionen nicht Teil der Betrachtung. Eine weiterführende Erläuterung zur Methodik und eine mathematischen Definitionen der einzelnen Treiber kann man dem 3. Teilbericht des Forschungsvorhabens „Komponentenzerlegung energiebedingter Treibhausgasemissionen mit den Fokus auf den Ausbau erneuerbarer Energien“ entnehmen.

 

Makroebene: Energiebedingte CO2-Emissionen

Die Dekomposition auf Makroebene dient dazu, die Beiträge wesentlicher Treiber an der Veränderung der Emissionen des Sektors Energie in Abgrenzung des Common Reporting Formats (CRF 1, im Folgenden: energiebedingte CO2-Emissionen) zu quantifizieren. Um die Quantifizierung zu ermöglichen, werden die potenziellen Treiber identifiziert, die eine Veränderung der energiebedingten CO2-Emissionen über die Zeit verursachen und zueinander ins Verhältnis gesetzt. Die im Folgenden benannten Treiber sind berechnete Terme, die im oben genannten Forschungsbericht definiert und erläutert sind. Die Abbildungen zeigen die Anteile, die die Emissionstreiber Bevölkerung, Wirtschaftsentwicklung, Energieintensität, Einfluss erneuerbarer Energien und Brennstoffwechsel & Atomausstieg an der Entwicklung der deutschen energiebedingten CO2-Emissionen haben.

Die wesentlichen Treiber der Reduktion der energiebedingten CO2-Emissionen sind laut Dekompositionsanalyse sinkende Energieintensität, Brennstoffwechsel und Atomausstieg, sowie ein zunehmender Anteil der erneuerbarer Energien. Der emissionsmindernde Beitrag dieser Treiber gleicht den emissionstreibenden Effekt der anderen Treiber mehr als aus. Der stärkste Treiber der energiebedingten CO2-Emissionen ist durchgängig die Wirtschaftsentwicklung.

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CO2-Emissionen aus der Stromerzeugung

Die meisten energiebedingten CO2-Emissionen werden im Stromsektor emittiert. Bei der Komponentenzerlegung im Stromsektor ist es eine besondere Herausforderung, dass im Strommix nicht nur ein  fossiler und ein erneuerbarer Anteil besteht, sondern dass zum nicht-fossilen Anteil der Stromerzeugung neben den erneuerbaren Energien auch die Kernenergie zählt. Da hier insbesondere die Wirkungen der erneuerbaren Energien interessieren, sind sie getrennt von der Kernenergie zu quantifizieren.

Die Ergebnisse der Komponentenzerlegung zeigen, welche Einflussfaktoren für diese Entwicklung eine Rolle gespielt haben. Unter den steigernd oder senkend wirkenden Treibern sind der Endenergieverbrauch, der Rückgang der Kernenergie, die Effizienz der fossilen Erzeugung und der Zubau der erneuerbaren Energien diejenigen mit den größten Effekten im Vergleich zum Jahr  1990. Dabei treiben der steigende Endenergieverbrauch und der sinkende Anteil der Kernenergie die Emissionen in die Höhe. Die steigende Effizienz der fossilen Erzeugung und der Zubau der erneuerbaren Energien senken die CO2-Emissionen. Während der Einfluss von Endenergienachfrage, Effizienz und Energieverlusten im Zeitraum der jüngsten 10 Jahre in etwa konstant geblieben sind, werden die Effekte des Kernenergierückgangs als auch des Zubaus erneuerbarer Energien mit der Zeit deutlich stärker. Die Emissionsintensität, die auch ein Maß für das Verhältnis von Kohle zu Erdgas bei der Stromerzeugung ist, hat ebenfalls nur einen kleinen emissionsmindernden und in den letzten Jahren sogar wieder rückläufigen Beitrag. Dagegen führt die Entwicklung des Stromaustauschsaldos in den meisten Jahren gegenüber 1990 zu einem Anstieg der CO2-Emissionen, dieser Effekt nimmt in den letzten Jahren durch die im Saldo stetig steigenden Stromexporte weiter zu.

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CO2-Emissionen aus der Bereitstellung von Industriewärme

Die Industrie ist nach der Stromerzeugung und dem Straßenverkehr die drittwichtigste Quelle von Treibhausgasemissionen in Deutschland. Eine besondere Bedeutung haben hierbei die Emissionen aus der Wärmeerzeugung.  Um eine Komponentenzerlegung der CO2-Emissionen der Industriewärme durchzuführen, werden zunächst die wesentlichen Treiber identifiziert, die eine Veränderung der CO2-Emissionen der Industriewärme über die Zeit verursachen und dann zueinander in Beziehung gesetzt. Industrie umfasst dabei das verarbeitende Gewerbe, Raffinerien sowie Kokereien und die sonstige Herstellung von Brennstoffen. Ebenfalls enthalten sind die Emissionen aus der Wärmeerzeugung in industriellen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK).

Die folgenden Abbildungen zeigen die Anteile, die die Emissionstreiber Wirtschaftsentwicklung, Industrieanteil am Bruttoinlandsprodukt (BIP), Wärmeintensität, erneuerbarer Anteil am Wärmebedarf und fossiler Brennstoffmix zur Veränderung der energetischen CO2-Emissionen der Industriewärme gegenüber 1990 und gegenüber dem Vorjahr haben.

Der mit Abstand stärkste Treiber ist die gesunkene Wärmeintensität. Die Wärmeintensität bildet ab, wieviel Wärme in der Industrie benötigt wird, um eine Einheit Bruttoproduktionswert zu generieren. Wird weniger Wärme benötigt, um den gleichen Wert zu erzielen, ist die Wärmeintensität niedriger und dementsprechend auch die CO2-Emissionen. Zu Beginn der 1990er-Jahre hat hierbei insbesondere der wirtschaftliche Niedergang der in Teilen sehr ineffizienten ostdeutschen Wirtschaftsbereiche einen wichtigen Einfluss.

Einen merklichen Effekt haben die erneuerbaren Energien erst seit 2003. Dies ist teilweise ein statistisches Artefakt, denn mit der Novelle des Energiestatistikgesetzes 2003 sind die erneuerbaren Energien besser erfasst worden. In Summe sind die emissionssenkenden Treiber (Wärmeintensität, fossiler Brennstoffmix und erneuerbarer Anteil am Wärmebedarf) größer als die emissionssteigernden Treiber (Wirtschaftsentwicklung sowie teilweise Industrieanteil am BIP), so dass es im gesamten Betrachtungszeitraum zu einer Senkung der CO2-Emissionen der Industriewärme kommt.

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CO2-Emissionen der Raumwärme privater Haushalte

Im aktuellen Wohnbestand wird der größte Teil der Energie für Raumwärme, also die Beheizung der Wohnflächen, aufgewendet. Eine Komponentenzerlegung für die Raumwärme in privaten Haushalten berücksichtigt – entsprechend der Konvention der Methodik des nationalen Treibhausgasinventars – ausschließlich die direkten CO2-Emissionen. Zur Betrachtung des Witterungseffekts wurde eine Temperaturbereinigung des Endenergieverbrauchs durchgeführt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Anteile, die die Emissionstreiber Bevölkerung, Wohnfläche pro Person, Gebäudeeffizienz, Anteil erneuerbarer Energien und fossiler Brennstoffmix zur Veränderung der direkten CO2-Emissionen privater Haushalte gegenüber 1990 und gegenüber dem Vorjahr beitrugen.

Stärkster Treiber der Emissionsentwicklung im Bereich der Raumwärme ist die Gebäudeeffizienz. Sinkende Emissionen sind zum einen auf schärfere energetische Standards bei neuen Wohngebäuden, zum anderen auf energetische Sanierungen (zum Beispiel durch Dämmung) von bestehenden Wohngebäuden zurückzuführen.

Der zweitstärkste Treiber ist – mit emissionssteigernder Wirkung – eine deutlich gestiegene Wohnfläche pro Person: Im Jahr 1990 standen im Schnitt noch 34,8 m²/Person zur Verfügung, dies stieg aber auf 46,6 m²/Person im Jahr 2017 an. Zusätzlich führte eine leichte Steigerung der Bevölkerung zu einer weiteren Emissionssteigerung.

Im Bereich der Energiebereitstellung sorgten der gestiegene Anteil erneuerbarer Energien und die Emissionsreduktion im fossilen Brennstoffmix zu einer Abnahme der direkten CO2-Emissionen der Raumwärme. In der Veränderung des fossilen Brennstoffmixes ist allerdings auch die erweiterte Nutzung von Fernwärme enthalten, deren Emissionen nicht direkt bei den privaten Haushalten sondern in der Energiewirtschaft erfasst werden.

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CO2-Emissionen aus der Bereitstellung von Fernwärme

Fernwärme wird in allen stationären Endverbrauchssektoren, also der Industrie, privaten Haushalten und im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) genutzt. Die Emissionen der Fernwärmeerzeugung werden im Treibhausgasinventar nicht in den jeweiligen Endverbrauchssektoren sondern in der Energiewirtschaft bilanziert. Zusätzlich zu der Komponentenzerlegung für die Industriewärme und die Raumwärme wurde daher eine Komponentenzerlegung für die Fernwärme durchgeführt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Anteile, die die Emissionstreiber Fernwärmeverbrauch, Netzverluste, Umwandlungseffizienz, Anteil erneuerbarer Energien und der fossile Brennstoffmix zur Veränderung der direkten CO2-Emissionen der Fernwärmeerzeugung gegenüber 2003 und gegenüber dem Vorjahr beitrugen.

Stärkster emissionsmindernder Treiber ist der gestiegene Anteil erneuerbarer Energien. Seit 2014 hat auch die Reduktion des Fernwärmeverbrauchs eine emissionsmindernde Wirkung. Allerdings ist die Fernwärmenachfrage stark witterungsabhängig. Von eher untergeordneter Bedeutung und in der Zeitreihe teilweise schwankend sind die Auswirkungen der Veränderung des fossilen Brennstoffmixes, der Netzverluste und der Umwandlungseffizienz.

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CO2-Emissionen des Personenstraßenverkehrs

Die Emissionen des Personenverkehrs werden vom motorisierten Individualverkehr (MIV) dominiert. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass ca. ¾ der in Deutschland zurückgelegten Personenkilometer dem PKW- und Motorradverkehr zugeordnet werden können. Hinzu kommt, dass der MIV einen hohen Energieverbrauch im Vergleich zum öffentlichen Verkehr hat und die Emissionen der Stromerzeugung für den Bahnverkehr nach der Logik des Treibhausgasinventars dem Stromsektor zugeordnet werden. Die folgenden Abbildungen zeigen den Einfluss der einzelnen Treiber zur Entwicklung der Emissionen des MIV.

Der zunehmende Mobilitätsbedarf, also die pro Person und Jahr zurückgelegte Strecke über alle Verkehrsträger, ist der einzige relevante Treiber, der zu einer Emissionssteigerung seit 1994 beigetragen hat. Hinzu kommt, dass der Anteil der zu Fuß oder per Fahrrad zurückgelegten Strecken leicht zurückgegangen ist. Die Energieeffizienz der Fahrzeuge wurde seit 1994 kontinuierlich verbessert und konnte die gestiegene Nachfrage nach Mobilität ausgleichen. Allerdings werden diese Effizienzgewinne durch eine verstärkte Nachfrage nach schwereren PKW zu großen Teilen aufgehoben.

Die Einführung der sogenannten Ökosteuer kann an dem Tankverhalten gut nachvollzogen werden. Bis zum Ende des Jahrtausends wurde in Deutschland ungefähr so viel Kraftstoff abgesetzt wie verbraucht, d.h. es hat sich nicht gelohnt zum Tanken ins Ausland zu fahren. Nach der Einführung der Ökosteuer ab dem Jahr 2000 kam es zu einer klaren Wende: Obwohl der Energieverbrauch des MIV gestiegen ist, wurde weniger Treibstoff in Deutschland verkauft und somit die Emissionen ins Ausland verlagert.

Die Bevölkerungsentwicklung, der fossile Kraftstoffmix und der öffentliche Verkehr spielen nur eine untergeordnete Rolle bei der Emissionsentwicklung. Bei der Rolle des öffentlichen Verkehrs fällt auf, dass der Anteil am gesamten Mobilitätsverhalten nach Zuwächsen bis 2005 stagniert und in den letzten Jahren wieder zurückgegangen ist.

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CO2-Emissionen des Straßengüterverkehrs


Die Emissionen des Güterverkehrs werden vom Güterkraftverkehr, also dem Transport mit schweren und leichten LKW, dominiert. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass ca. ¾ der in Deutschland zurückgelegten Tonnenkilometer dem LKW zugeordnet werden können. Hinzu kommt, dass der Straßengüterverkehr einen relativ hohen Energieverbrauch im Vergleich zum Transport per Bahn oder Binnenschiff hat. Außerdem werden die Emissionen der Stromerzeugung für den Bahnverkehr nach der Logik des Treibhausgasinventars dem Stromsektor zugeordnet. Die folgenden Abbildungen zeigen den Einfluss der einzelnen Treiber zur Entwicklung der Emissionen des Straßengüterverkehrs gegenüber 1991 und gegenüber dem Vorjahr.

Von allen untersuchten Sektoren ist dies der einzige, in dem die CO2-Emissionen im Vergleich zu 1991 gestiegen sind. Dieses Emissionswachstum kann auf drei Gründe zurückgeführt werden: Die Wirtschaftsentwicklung, die gestiegene Transportintensität und eine Verlagerung vom Schienen- und Schiffsverkehr zum Straßengüterverkehr. Aber auch die Transportintensität, also die Änderung der Nachfrage nach Transportdienstleistungen im Vergleich zum Wirtschaftswachstum, ist sowohl gegenüber 1991 als auch gegenüber 2000 gestiegen. Deutschland ist damit eine Ausnahme innerhalb von Europa, wo es zumindest seit 2000 zu einer Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Transportnachfrage kam. Neben der gestiegenen Nachfrage nach Transportdienstleistungen hat auch der Straßengüterverkehr eine immer wichtigere Rolle am Gesamttransportvolumen bekommen. Die verbesserte Effizienz der LKW konnte die emissionssteigernden Treiber zumindest teilweise ausgleichen. Auch die Einführung von Biotreibstoffen und ersten elektrischen Lieferfahrzeugen für den Stadtverkehr konnten die Emissionen im Transportsektor leicht senken.

Die Einführung der sogenannten Ökosteuer und Verteuerung des Diesels zwischen 1999 und 2003 zeigt sich klar im Tankverhalten: Nach 1999 wurde im Vergleich zu den Vorjahren deutlich mehr Kraftstoff in Deutschland verbraucht als getankt. Das Verhältnis zwischen Absatz und Verbrauch hat sich über die letzten Jahre allerdings stabilisiert.

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