Stromerzeugung

Windräder

(Bild: iStock)

Messbar nachhaltig

Erneuerbare Energien sind nachhaltiger als fossile Brennstoffe. Diese Aussage hat sich etabliert und kann auch kaum bestritten werden. Dennoch ist sie bei genauerem Hinsehen problematisch: Wie so oft in der Wissenschaft steckt der Teufel im Detail.

Ganze Forscherteams beschäftigen sich weltweit mit Ökobilanzen. Sie versuchen, zu bestimmen und zu bewerten, welchen Ressourcenverbrauch und welche ­Emis­sionen Produkte, Dienstleistungen, ­Technologien und Systeme verursachen – nicht nur im Betrieb, sondern entlang des gesamten Lebenswegs von der Produktion bis zur Entsorgung.

So lässt sich eruieren, welchen Einfluss Batterien, Autos, T-Shirts oder auch exotische Früchte, die hierzulande in den Verkauf kommen, auf die Umwelt haben. Im Energiebereich gilt die Aufmerksamkeit unter anderem dem Strom aus Wasserkraftwerken, Photo­voltaik-, Biogas- oder Windenergieanlagen.

Solche Ökobilanzen sind nicht nur von wissenschaftlichem Interesse. Unter­nehmen nutzen Ökobilanzen bei der ­Entwicklung neuer Produkte oder aus Marketingüberlegungen; Entwickler neuer Technologien versuchen, mithilfe von Ökobilanzen Forschungsgelder zu erhalten.

Vier Schritte zur Bilanz

Am Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen an der ZHAW in Wädenswil leitet Matthias Stucki die Forschungs­gruppe Ökobilanzierung. «Ökobilanzen sind durch die ISO-Normen 14040 und 14044 standardisiert», sagt er. Die Normen definieren das Vorgehen für das Erstellen einer Ökobilanz in vier Schritten: Ziel und den Untersuchungsrahmen, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung der Resultate.

«Am Anfang muss der ­Untersuchungsrahmen definiert werden», erklärt Matthias Stucki. «Wir bestimmen, welche Elemente zum untersuchten ­System und zu dessen Lebenszyklus ­gehören und welche Datenquellen zur Verfügung stehen.» Zudem gilt es, die Referenzeinheit festzulegen – im Fall von Strom zum Beispiel eine Kilowattstunde.

«Hier kommt es zudem darauf an, ob man Strom ab Produktionsanlage oder im ­Haushalt bewertet», so der Experte. Der Unterschied: Bei Letzterem gehören das Stromnetz und die Stromverluste im Netz ebenfalls zum untersuchten System, was in der Ökobilanz durchaus einen Unterschied ausmachen kann.

Daten, Daten, Daten

In der zweiten Phase der Ökobilanzierung erfolgt die Sachbilanz – «die Datenschlacht», wie Matthias Stucki sagt. Es geht darum, möglichst viele Daten für möglichst jede Phase des Lebenszyklus des untersuchten Systems zusammenzustellen.

Dies klingt einfacher, als es ist. Stucki: «Wir sprechen mit Herstellern, arbeiten mit Fragebögen, ziehen die Daten aus der Literatur bei, ­schöpfen die offiziell verfügbaren Quellen aus.»

Dabei geht es nicht nur um offensichtliche Elemente wie Solarzellen oder Rotorblätter; selbst die kleinste ­Schraube kann über ihren gesamten ­Lebenszyklus hinweg betrachtet und mit ihren jeweiligen Werten in die Berechnung eingebracht werden. Je mehr Daten ­zusammen­getragen werden, desto exakter ist die ­Ökobilanz. Eine spezielle Software, die auf bereits erstellte Hintergrund­datenbanken zugreifen kann, wertet alle Daten in einem Modell aus.

Abschätzen und interpretieren

Als Nächstes geht es um die Wirkungs­abschätzung – die Berechnung der ­Umweltauswirkungen für verschiedene Indikatoren auf Grundlage der Sachbilanz. «Einer der bekanntesten Indikatoren ist die Klimabilanz», sagt Matthias Stucki. «Hier berechnet man die Menge an klima­relevanten Treibhausgas-Emissionen im gesamten Lebenszyklus der untersuchten Technologie.»

Ausgedrückt wird das Resultat in CO-Äquivalenten, dem sogenannten Treibhauspotenzial. Die Zahl gibt an, wie viel eine bestimmte Menge eines Treibhausgases im Vergleich zur selben Menge CO zur globalen Erwärmung beiträgt. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel berechnen, wie viele CO-Äquivalente bei der Produktion einer Kilowattstunde ­Solarstrom entstehen.

Weitere mögliche berechenbare Indikatoren sind der ­ökologische Fussabdruck, die graue ­Energie, der Wasserfussabdruck und viele mehr. «Letztlich kommt es darauf an, welches Umweltproblem man untersuchen möchte», so Stucki. Im abschliessenden Schritt geht es darum, die erhaltenen Resultate zu interpretieren, zu diskutieren und mit eventuell bereits vorhandenen Studien zu vergleichen.

Der Faktor Datenqualität

Auf den ersten Blick erscheint die ­Ökobilanzierung eine ziemlich exakte Wissenschaft zu sein. Tatsächlich aber kann beim Erstellen der Sachbilanz die Datenlage zu erheblichen Problemen führen. Stucki: «Die Qualität der ver­fügbaren Daten ist sehr unterschiedlich.»

Sind keine genauen Daten vorhanden – zum Beispiel, weil Emissionen nie ge­messen wurden oder die benötigten Daten vertraulich sind –, muss man Abschätzungen anstellen. «Wir führen deshalb ­Unsicher­heitsberechnungen durch, die anzeigen, wie verlässlich die Ökobilanzergebnisse sind.»

Wichtig ist, dass die Datenlage bei den Hauptelementen eines Systems gut ist. Lassen sich für die ­erwähnte kleine Schraube keine Her­stellungsdaten auf­treiben, fällt dies in der Gesamtbilanz weniger ins Gewicht. ­Meistens gehe es aber sowieso nicht darum, eine Ökobilanz auf zehn Kommastellen genau zu erstellen. «Viel entscheidender ist, aus den Zahlen die richtigen Schlüsse zu ziehen», sagt der Experte. «Und diese Aussagen sind in den meisten Fällen sehr robust.»

Materialintensiver Solarstrom

Welche Aussagen lassen sich zu den ­erneuerbaren Energien treffen? «Im Fall von Solarstrom sind mittlerweile viele verschiedene Technologien im Umlauf», sagt Matthias Stucki. Da die heute am meisten genutzten Technologien auf ­Siliziumzellen basieren, beginnt ein ­Ökobilanzmodell für Solarstrom für ­gewöhnlich mit der Siliziumproduktion – einem sehr energieintensiven Schritt.

Weiter geht es mit der Herstellung der Solarzellen und Module selbst, die meist in Asien vonstattengeht. «Es muss also der asiatische Strom, der für die Herstellung benötigt wird, eingerechnet werden», sagt der Experte. «Erfreulicherweise wird auch in der Produktion der Strommix immer nachhaltiger, was die Ökobilanz von Solarstrom positiv beeinflusst.» Dasselbe gilt für die technische Weiterentwicklung, die Solarzellen immer effizienter macht: Das Verhältnis von investierter zu produzierter Energie verbessert sich mit jeder neuen Solarzellengeneration.

Es folgt der Transport der Solarmodule zum Installationsstandort. «Solarmodule benötigen aber auch ein Befestigungssystem, einen Wechselrichter, der den Strom umwandelt, und eine Verkabelung», so Stucki. Alle diese Elemente müssen ebenfalls produziert und transportiert werden.

Ist die Anlage in Betrieb, wird der Stromertrag pro Jahr einberechnet, der unter anderem von der Positionierung der ­Anlage abhängt. «Hier ist es wichtig, nicht mit Laborwerten, sondern möglichst mit Messwerten unter realen Bedingungen zu arbeiten», sagt Matthias Stucki. «Im Mittelland ergeben sich nämlich andere Erträge als in den Alpen.» Die letzten ­wichtigen Faktoren sind schliesslich ­Abbau, Abtransport und Entsorgung der Anlage.

Aufwendige Windanlagen

Im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) nahm die Forschungsgruppe der ZHAW 2015 eine Ökobilanzierung der Schweizer Windenergie vor. Sie kam zum Schluss, dass Windstromproduktion zu den Stromproduktionstechnologien mit den tiefsten Umweltauswirkungen zählt und die Umweltbelastungen hauptsächlich auf die Herstellung der Anlagen zurück­zuführen sind.

«Neben dem Mast und dem Rotor gilt es hier, auch das Beton­fundament zu beachten», sagt Matthias Stucki. Während Solaranlagen verhält­nis­mässig einfach zu installieren sind, ist bei einer Windkraftanlage die schiere Grösse ein Faktor, der sich in der Ökobilanz niederschlägt. Stucki: «Es braucht ­schweres Gerät, um den Aushub zu ­machen, den Sockel zu giessen und den Mast aufzurichten.»

Je nach Standort müssen vorgängig sogar noch Zufahrtstrassen gebaut und Stromanschlüsse gelegt werden. Beim Betrieb der Anlage wird die Wartung ­berücksichtigt, bevor mit der Entsorgung der Anlage wieder höhere Emissionsbeiträge in die Ökobilanz einfliessen.

Effiziente Wasserkraftwerke

Doch die Schweiz ist bekanntlich das Land der Wasserkraft. Rund 57 Prozent der heimischen Strom­produktion stammt aus Wasser­kraftwerken. Nach Angaben des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbands (SWV) ­machen Wasserkraftwerke etwa 96 Prozent der Strom­produktion aus erneuerbaren Quellen aus.

«Hier kommt es sehr darauf an, ob man Laufwasserkraftwerke, Pump­speicherkraftwerke oder Speicherkraftwerke betrachtet», sagt Matthias Stucki. So sei die Ökobilanz eines Pump­speicherkraftwerks ­davon abhängig, mit was für Strom die Pumpen betrieben werden.

Ansonsten hat der verbaute Beton den mit Abstand ­grössten Einfluss auf die Umweltbelastungen pro Kilowattstunde Strom durch Wasserkraftwerke. Generell sieht der Experte Wasserkraft als sehr klimafreundlich, weil sie im Vergleich zu den verursachten ­CO-Äquivalenten ­riesige Mengen Strom produzieren. «Bei grossen Neubau­projekten in tropischen Regionen kann die Ökobilanz jedoch ­deutlich schlechter aussehen», sagt der Experte. Dies deshalb, weil bei der Flutung von Gebieten über lange Zeit Biomasse abgebaut wird. Dieser Prozess setzt Methan frei, ein äusserst potentes Treibhausgas mit einem sehr hohen Klimaeffekt.

Wechselhaftes Biogas

Im Gegensatz zum Wasser ist Strom aus Biomasse in der Schweiz noch ein ­Nischenprodukt. Für dessen Ökobilanz entscheidend ist, welches biogene ­Ausgangsmaterial zum Einsatz kommt: Holz, Abfallprodukte oder landwirtschaftlich angebaute Produkte. «In der Schweiz ist Letzteres unüblich, aber in den USA und der EU werden grosse Flächen mit Mais bebaut, der für die Bewirtschaftung von Biogasanlagen genutzt wird», erklärt ­Matthias Stucki.

Dies ist die umweltbe­lastendste Variante der Biogasherstellung, weil der Einsatz von Dünger, Pflanzenschutzmittel und der Maschinen für Saat, Ernte und Verarbeitung der Pflanzen in die Ökobilanz einbezogen werden muss. «Für einige Indikatoren sind die Ökobilanzergebnisse dann sogar höher als bei ­konventionellen Energieträgern», sagt der Experte.

Am besten schneidet die Bio­energieproduktion aus Abfallprodukten ab. Auch hier gilt für die Berechnung der Ökobilanz nämlich, dass die Herstellung der Produkte keinen Einfluss auf die ­Berechnung hat. Denn der Abfall wurde nicht speziell für die Stromproduktion hergestellt, sondern wird zweitverwertet.

Einen negativen Einfluss auf die Ökobilanz von Biogasanlagen hat der sogenannte Methanschlupf. Stucki: «Biogas besteht aus Methan. Sind Biogasanlagen nicht ganz dicht, können kleine Mengen Methan in die Atmosphäre gelangen und als Treib­hausgas ihre klimaschädigende Wirkung entfalten.»

Kombinieren, nicht gegeneinander ausspielen

In ihrer Ökobilanzierung der Schweizer Windenergie hat das Forschungsteam der ZHAW auch die Umweltauswirkungen verschiedener Kraftwerkstechnologien verglichen.

Matthias Stucki möchte solche Vergleiche jedoch nicht als eine Hitparade verstanden wissen: «Es ist mit Blick auf die angestrebte Energie­wende nicht sinnvoll, eine Rangliste zu erstellen», sagt er. «Die erneuerbaren Energien sollen schliesslich nicht gegeneinander ausgespielt werden, sondern einander ergänzen, um die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energieträgern zu reduzieren.»

Zu viele Faktoren bestimmen, welche Energieform an einem bestimmten Standort ökologisch am sinnvollsten und nicht zuletzt auch wirtschaftlich ist. Zumindest bei ersterem sind Ökobilanzen ein zwar aufwändiges, aber auch aussagekräftiges Hilfsmittel.

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