Primärenergie, Endenergie, Nutzenergie – was bedeutet das?

Primärenergie

In meinen Artikeln über Energiestandards und Energiehaustypen wie Sonnenhaus und Passivhaus tauchen ganz selbstverständlich verschiedene Arten von Energiebedarf bzw. -verbrauch auf, die ich heute mal näher unter die Lupe nehmen möchte. Die Unterschiede sind nämlich signifikant, aber nur wenige kennen sie. Also keine Sorge, wenn dir diese Begriffe so wenig sagen, wie den Mädls am Bild.  Ich erkläre die Unterschiede, indem ich die Zusammenhänge aufzeige zwischen

  • Primärenergie
  • Sekundärenergie
  • Endenergie
  • Nutzenergie und
  • Heizwärmebedarf.

Primärenergie – fossil, atomar oder erneuerbar

Primärenergie (von lat. Primus, der Erste) ist die Energie, die in einer natürlich vorkommenden Energiequelle steckt, und die sich – bei fossilen Energieträgern und Biomasse – am besten als Brennwert in Kilowattstunden (kWh) ausdrücken lässt. So enthält ein Kilogramm Erdöl etwa 11,8 kWh Energie, bei Kohle sind es nur 5,4 kWh und bei Brennholz 4,1 kWh.

Mit der Atomkraft lassen sich diese Werte nicht ohne Weiteres vergleichen, da die Energie hier nicht durch einen chemischen Verbrennungsprozess freigesetzt wird, sondern auf physikalischen Vorgängen im Inneren von Atomen, sprich Kernspaltung, beruht. Die Spaltung von 1 g Uran bringt in etwa so viel Energie wie die Verbrennung von 1,5 Tonnen Kohle (also 1,5 Millionen mal mehr Masse!). Bis es so weit ist, muss allerdings sehr viel Energie in Uranabbau, Transport, Kraftwerksbau etc. hineingesteckt werden, so genannte Graue Energie, auf die ich unten noch zu sprechen komme. Von den Gefahren und der Endlagerproblematik der Kernenergie ganz zu schweigen.

Sonnenenergie hingegen entsteht aus Kernfusionsvorgängen auf der Sonne – weit entfernt und noch für mehrere Millionen Jahre. Gemessen an einem Menschenleben also unendlich lange, wodurch wir die Sonnenenergie guten Gewissens als erneuerbar und unerschöpflich bezeichnen können. Da der Mensch auf diese Vorgänge keinen Einfluss hat und die Sonne ohne unser Zutun strahlt, ist der Primärenergieaufwand von der Erde aus betrachtet erst einmal gleich Null – der große Vorteil von Solarthermieanlagen oder Photovoltaik. Ähnlich ist es mit der Windenergie, mit Wasserkraft und den Gezeiten. Wobei z.B. die Herstellung von Solarkollektoren, PV-Modulen oder Wasserkraftwerken natürlich auch mit Energieeinsatz verbunden ist.

Sekundärenergie durch Umwandlung von einer Energieform in die andere

Wer sich noch an den Physikunterricht erinnert, kennt noch den Energieerhaltungssatz und weiß, dass Energie nicht aus dem System verschwinden kann, sondern nur umgewandelt wird: Zum Beispiel Wärmenergie aus Verbrennung oder Kernspaltung oder Bewegungsenergie aus Wasser, Wind oder Gezeiten in elektrischen Strom. Dabei wird die Primärenergie nicht vollständig in elektrischen Strom umgewandelt, sondern zum Teil an die Umwelt abgegeben – man denke nur an die Kühlung von Atomkraftwerken oder Reibungsenergie bei der Wasserkraft.

Energie, die durch Umwandlung aus Primärenergie hervorgegangen ist, wird Sekundärenergie genannt. Je nach dem Zeitpunkt der Betrachtung kann sie mit der End- oder Nutzenergie gleichgesetzt werden.

Endenergie, Nutzenergie  und Wirkungsgrad

Die Sekundärenergie, die – nach weiteren “Verlusten” durch Transport und Umwandlung – dann beim Endverbraucher oder der –verbraucherin ankommt, nennt sich Endenergie; das Verhältnis zwischen eingesetzter Energie und Endenergie nennt sich Primärenergiefaktor oder Endenergiefaktor. Der Primärenergiefaktor des gegenwärtigen Strommixes in Deutschland beispielsweise liegt bei 2,6. Endenergie ist z.B. der Strom, der aus der Steckdose kommt; das Heizöl im Kellertank oder das Benzin für’s Auto. Doch auch davon wird nur ein Teil für den Zweck genutzt, den wir uns wünschen – dieser Anteil ist die Nutzenergie. Wenn wir das Licht anschalten, ist es bei einer modernen Energiesparlampe (Kompaktleuchtstoffröhre) knapp die Hälfte; bei der Glühlampe wurden gar mehr als 90 % in Wärme umgewandelt statt in Licht, also eine Nutzenergieausbeute von weniger als 10 %. Moderne Heizungen erreichen, abhängig von Auslegung und Wartung der Anlage, Wirkungsgrade von 80 % und mehr.

Wirkungsgrad und Graue Energie

Vom Wirkungsgrad zu sprechen, wirft einige Probleme auf: Oft erkaufe ich mir einen hohen Wirkungsgrad – oder, um zur Gebäudetechnik zurückzukehren, niedrige U-Werte für Bauteile, ausreichend Heizenergie durch strombetriebene Wärmepumpen, gute Lichtausbeute bei Leuchtmitteln – durch den vorherigen Einsatz von sehr viel Energie. In Kraftwerken, Baustoffen und Heizungsanlagen beispielsweise steckt viel Energie für die Rohstoff-Förderung, Transport und Bau bzw. Herstellung. Dies nennt man Graue Energie. Wenn sie überall konsequent in die Primärenergie mit einbezogen würde, sähe so manche Energiebilanz etwas anders aus.

Und was wird wo hineingerechnet?

Deshalb ist die energetische Qualität von Häusern nicht auf den ersten Blick vergleichbar; es besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen Primärenergiebedarf und Heizwärmebedarf.

Die deutsche Energieeinsparverordnung EnEV 2009 fordert beim Energieausweis von Wohngebäuden den Nachweis des Jahres-Primärenergiebedarfs für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung und Kühlung, für Strom aus erneuerbaren Energien darf etwas abgezogen werden. Die Berechnung der Energiebedarfsarten ist normiert in der DIN 18599 Energetische Bewertung von Gebäuden; der Wert wird individuell für jedes Haus ermittelt.

In Österreich gilt je nach Bundesland ein Zielwert für den Heizwärmebedarf (also Endenergie statt Primärenergie) ein Zielwert nach Bauordnung von 75 – 100 kWh/(m²*a); der freiwillige Schweizer Minergiestandard gibt für neue Einfamilienhäuser eine nach Energieträgern gewichtete Energiekennzahl von 38 kWh/(m²*a) für Heizung, Warmwasser und Lüftung vor.

Die Werte können nur mit einem hohen bauphysikalischen Standard erreicht werden – vor allem durch gut gedämmte Außenbauteile. Der Primärenergieaufwand für die Herstellung von Mauer-Ziegel oder für Dämmstoffe aus Polyurethan ist nicht gerade gering. Allerdings muss man dabei auch die Nutzungsdauer eines Gebäudes mit einbeziehen und es gibt durchaus Alternativen, bei denen die Ökobilanz gut ausfällt: Bauteile und Naturdämmstoffe aus Holz zum Beispiel. Für eine Dämmung aus Strohballen fällt so gut wie gar keine Primärenergie an, Holzfaserplatten benötigen um die 620 Megawattstunden pro Kubikmeter (MWh/m³) – gegenüber 1400 MWh/m³ für PUR; Schaumglasschotter besteht aus recyceltem Glas und kann über die Lebensdauer des Gebäudes hinaus wiederverwendet werden.

Die Energie, die in den Baustoffen steckt, ist beim Vergleich der Energiestandards meist gar nicht berücksichtigt – wobei man schon bei der alleinigen Betrachtung von Energiebedarfswerten im laufenden Betrieb aufpassen muss, dass man nicht Äpfel mit Birnen vergleicht – zum Beispiel beim Vergleich von Passiv- und Sonnenhauskonzept:

  • Passivhaus-Kriterien: Primärenergiebedarf maximal 120 kWh/(m²*a) für Heizung, Warmwasserbereitung und Haushaltsstrom; Heizwärmebedarf unter 15 kWh/(m²·a),
  • Sonnenhaus-Kriterien: Primärenergiebedarf maximal 15 kWh/(m²*a) für Heizenergie und Hilfsstrom (Pumpen etc.), aber ohne Haushaltsstrom; der Heizwärmebedarf wird vom Sonnenhaus-Institut mit 40 kWh/m²a oder kleiner angegeben (durchschnittliches Einfamilienhaus ohne Lüftungsanlage).

Um den Energieverbrauch im laufenden “Betrieb” der beiden Häuser vergleichbar zu machen, müsste man beim Sonnenhaus den Hausshaltsstrom noch draufrechnen. Bei Verwendung von Solarstrom und energiesparenden Geräten dürfte dieser aber kaum ins Gewicht fallen. Wenn man dann noch berücksichtigt, dass Passivhäuser konstruktionsbedingt viel stärker gedämmt werden müssen als Sonnenhäuser, dann schneidet aus meiner Sicht vor allem das Sonnenhaus in Holzbauweise besser ab – dass ein Sonnenhaus nicht immer nur aus Ziegel sein muss, beweist die Vielzahl bereits realisierter Sonnenhausprojekte.

Eine Gesamtökobilanz für Gebäude ist gesetzlich noch nicht vorgeschrieben, erscheint mir aber sinnvoll, damit am Ende nicht nur über den Heizwärmebedarf diskutiert wird, sondern auch, mit wie viel Grauer Energie er erkauft werden muss.

Foto: (c) Miss.Erfolg / photocase.com

Darf’s ein bisschen mehr sein? Passend zum Thema:
  • Was ist ein Passivhaus? Das Konzept
    Was ist ein Passivhaus?
  • Was ist ein Sonnenhaus?
    Was ist ein Sonnenhaus?

  • Timo Leukefeld im Interview: Braucht es eine Kultur des intelligenten…
  • Solarhaus
    Energiestandards und Energiehaustypen im Überblick
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6 Kommentare zu “Primärenergie, Endenergie, Nutzenergie – was bedeutet das?”

  1. Kurt Krautgartner

    Habe mir das Sonnenhaus-Konzept angesehen, weil ich es bisher noch nicht kannte und ich überrascht bin, wie man von 40 kWh/m²a HWB auf 15 Primärenergiebedarf kommt.
    Auf der Seite http://www.sonnenhaus-institut.de/sonnenhaus_passivhaus.html werden aus 5133 kWh Endenergie für Holz und 300 kWh für Strom 1837 kWh Primärenergiebedarf.
    Wer weiß, wie das gerechnet wird? Der Primärenergiebedarf kann doch nicht weniger als der Endenergiebedarf werden, oder?

  2. Sabine E. Rädisch Post Author

    Lieber Herr Krautgartner,

    ja, auf den ersten Blick wirkt es tatsächlich paradox – der Primärenergiebedarf eines Gebäudes kann aber tatsächlich UNTER den Endenergiebedarf fallen, und zwar wenn Energieträger eingesetzt werden, deren Primärenergiefaktor insgesamt kleiner 1,0 ist (regelmäßig bei erneuerbaren Energien der Fall). Zum Vergleich siehe auch Wikipedia.

    Die Sonne z.B. scheint ohne unser Zutun (die Kernfusion auf der Sonne wird nicht in die Energiebilanz eingerechnet), wir bekommen die Energie auf der Erde quasi “umsonst” und ohne Primärenergieaufwand geliefert – zuzüglich der Energie, die man einsetzen muss, um die Sonnenwärme für die Haustechnik nutzbar zu machen. Der Hilfsstrom für die Anlagentechnik ist in dem genannten Beispiel extra ausgewiesen, fällt also nicht unter den Tisch.

    Das Sonnenhaus aus dem Beispiel, auf das Sie verlinkt haben, hat einen solaren Deckungsgrad von 66,5 %, d.h. gut zwei Drittel des Energiebedarfs für Heizung und Warmwasser werden mit Solarenergie erzeugt.

    Die so genannte Graue Energie, die in den Baustoffen usw. steckt, ist hingegen NICHT mit eingerechnet – sie müsste aber auch beim Standard- und beim Passivhaus mit eingerechnet werden und bei ähnlicher Bauweise stimmen zumindest die Relationen zwischen den Haustypen.

    Sonnige Grüße
    Sabine Eva Rädisch

  3. Peter

    Hallo Frau Rädisch,
    ein sehr interessanter Artikel mit vielen Gedanken und Anregungen darüber, wie man ein modernes Haus ökologisch planen sollte.
    Ich möchte gern noch einen Tipp für die Leute weitergeben, die nicht ein neues Haus planen sondern ein älters Haus umweltbewusst ertüchtigen möchten.
    Für den Teil der Heizenergie hab ich mich für einen wasserführenden Kaminofen entschieden. Holz ist speicherbare Sonnenenergie und ein nachwachsender Rohstoff. Der wasserführende Kaminofen liefert die Wärme nicht nur ins Kaminzimmer, sondern in die Heizungsanlage und damit ins ganze Haus – und Heißwasser für Dusche & Co steht auch zur Verfügung. Er ist auch besonders effizient. Die neue Generation an Kaminöfen ist auch Umweltfreundlich weil sehr Emissionsarm. Insbesondere, wenn man auf dem Land lebt und Lagerplatz für das Holz hat, sollte man diese Option bedenken.
    Technische Infos zum wasserführenden Kaminofen für den ich mich letztlich entschieden haben findet man hier: http://www.normatherm.com

    1. Cornelia Daniel-Gruber

      Nur für mein Verständnis. Was unterscheidet dieses wassergeführten von herkömmlichen Öfen? Wenn ich es richtig verstehe wurde bei herkömmlichen Öfen nur die Strahlungswärme im entsprechenden Raum genutzt, und bei diesen kann man den Ofen auch ans Heizungssystem anschließen, sodass auch das Brauchwasser und die anderen Räume geheizt werden? Ich denke, diese System ließe sich auch sehr gut mit den wassgeführten Kollektoren ergänzen, oder?

  4. Rainer

    Ich gebe ja zu „ein wenig spät“ kommt mein Kommentar ja schon – doch beim Stöbern fiel mir auf :

    Primärenergie
    Sekundärenergie
    Endenergie
    Nutzenergie und
    Heizwärmebedarf.

    Bei soviel Energie scheint mir notwendig zwei weitere Begriffe „in den Ring zu werfen“ :

    Exergie & Anergie

    Diese vermeiden den leidigen „Energieverbrauch“ oder die genauso unmögliche „Energieerzeugung“ die allen (auch mir gelegentlich) so geflissentlich von den Lippen kommt. Energie kann weder „verbraucht“ noch „erzeugt” werden. Immer ist sie die „Energie“ in irgendeiner Form schon mal da und kann allenfalls in ihrer Form gewandelt werden.

    Doch für welchen Zweck nochmal zwei recht exotisch klingende Begriffe ? Um abzugrenzen was tatsächlich und in welchen Zustand „gewandelt“ wird.

    Am Ende eines Prozesses in dem Exergie in Anergie gewandelt wird, steht fest was von der ursprünglichen Exergie noch für das eigentliche Ziel (im Beispiel Druckluft) zur Verfügung steht.

    Dabei wird die ursprünglich eingesetzte Exergie zum Teil in für diese Anwendung „nutzlose“ Anergie umgewandelt. Dabei gibt es „fixe Grenzen“ die aus naturgesetzlichen Gründen schlicht nicht als Exergie am Ende der „Prozesskette“ zur Verfügung stehen.

    Das Beispiel kann für jeden anderen Prozess übertragen werden. Allerdings muss man dazu jede „unerwünschte Wandlung“ kennen. Einfach „unangenehme“ Tatsachen nicht einrechnen ist Betrug – schlimmer, ist Selbstbetrug.

    Hier das Beispiel (Links zum WIKI unter „Rainer“) :

    Elektrische Energie = 100% Exergie = 63,6 kW

    Davon wandeln folgende Bauteile / Prozesse „Exergie“ in „Anergie“ um (Prozentsätze)

    –38,2 % Kompressor
    -4,6 % Nachkühler
    -2,5 % Kältetrockner
    -0,6 % Filterung
    -0,0 % DL-Speicher
    -1,9 % Hauptnetz
    -7,2 % Anschluss Verbrauch

    Was nach Addition der Anergieanteile –55% ergeben, was zu einer nutzbaren „Rest-Exergie“ von 45% = 28,62 kW führt
    Leider wird die „Rest-Exergie“ im WIKI mit nur 42,1% = 26,8 kW angegeben. „Irgendwo“ sind also nochmal 2,9 % der ursprünglichen Exergie in Anergie umgewandelt worden.

    Was immer da „auf der Strecke blieb“ ist wohl „unerwünschte“ und „nicht nutzbare Wandlung“ der vormals elektrischen Energie in Wärmeenergie.

    Jeder sollte nun verstehen, es ist ein großer Unterschied „woher“ all diese Energie tatsächlich kommt. Ob nun die Sonne lediglich die Umgebung erwärmt oder ob mittels PV daraus Exergie in Form von el. Strom „gewandelt“ wird ODER ob dafür aus fossilen Stoffen über Jahrmillionen gespeicherte solare Energie sehr, sehr „anergiebehaftet“ und zusätzlich zum täglichen Energieeintrag durch die Sonne „gewandelt“ wird.

    Normale und kluge Menschen würden „gespeicherte Energie“ (beim heutigen Wissensstand) nur nutzen, wenn dies aus wichtigen Gründen notwendig wird. Das mit fossiler Energie jede Menge Geld „verdient“ werden kann, ist KEIN wichtiger Grund….

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