ERoEI

Was ist ERoEI und wie kann ich es verstehen?

Bild 1: ERoEI verschiedener Energieträger und das “Energy-Cliff”. Quelle: Euan Mearns

Der ERoEI (Energy Returned on Energy Invested) ist in der einfachsten Form das Verhältnis von Energie die ich aus etwas (z.B. der Ölquelle oder des PV-Moduls über die Lebenszeit) herausbekomme im Verhältnis zur eingesetzten Energie (u.a. den Aufwänden für die Ölexploration und Förderung – oder z.B. die der Produktion, Montage und des Betriebes der PV-Anlage über die Lebenszeit).

Der ERoEI ist in sofern wichtig um den energetischen Hebel einer Energiequelle bzw. Energieressource bewerten und vergleichen zu können und wird folgendermaßen berechnet:

                     Nutzbare Energie die herauskommt   
   ERoEI = -----------------------------------------------------
            Energie die eingesetzt wird damit etwas herauskommt

Die Zahl die bei dieser Berechnung herauskommt bezeichnet man dann als ERoEI. Auf Basis dieser Berechnung haben dann verschiedene Energieträger bzw. Quellen (z.B. Kohle, Gas, Atomenergie, Öl, Holz, Biomasse, Geothermie, Solarthermie, PV, Wind, etc.)  verschiedene ERoEI.

Wie aus dem Bild 1 zu ersehen ist sinkt der durchschnittliche ERoEI für Öl und Gas mit der Zeit. Wo zuerst die Energieaufwände zur Förderung kaum eine Rolle spielen, kommt Ihnen bei Unterschreitung des ERoEI von ca. 10 eine immer größere Bedeutung zu.

Von Äpfel und Birnen

Dabei ist natürlich Öl nicht Öl und PV nicht PV – es kommt immer auf die jeweilige Ölquelle (eine alte Ölquelle in Saudiarabien ist nicht vergleichbar mit Fracking in Californien) oder PV-Anlage (ein kleines System auf dem Haus – oder ein Große Installation auf einem Industriegebäude) an.

Weiterhin erzeugt die eine Quelle elektrischen Strom (z.B. PV-Strom der ggf. noch mit viel Aufwand gespeichert werden muss bis er benötigt wird) oder die viel versatilere Ressource Öl die ihren eigenen Speicher mitbringt und dann mittels Verbrennung Wärme, mechanische Arbeit oder indirekt auch für die Stromerzeugung genutzt werden kann. So ist Tiefsee-Öl mit einem ERoEI von z.B. 10 je nach Einsatzzweck deutlich mehr als 4 mal besser (versatiler, nützlicher) als PV-Strom (ohne Speicher) mit einem angenommenen ERoEI von z.B. 2,5 – der sofort verbraucht werden muss wenn er produziert wird. Solarthermie macht dann z.B. erst einmal “nur” Warmwasser – was den Vergleich da noch schwieriger macht.

Ursprung des ERoEI Konzeptes

Das ERoEI Konzept geht dabei auf die Arbeiten von Charles Hall zurück. Wie schon angesprochen ist dabei leider nicht klar definiert wie nun exakt der ERoEI einer Energiequelle bzw. Energieressource gemessen wird. Was ist dann z.B. noch mit den indirekten den Ewigkeitskosten – also z.B. Umweltverschmutzung oder einstürzende Kohleflöze? Oder den (energetischen) Entsorgungskosten für die PV-Anlage in 30 Jahren oder nach dem nächsten Hagelschauer? So gibt es oft extrem schwankenden Angaben zum ERoEI, insb. der erneuerbaren Energieträger von z.B. PV und Wind.

ERoEI ist in Abhängigkeit wo er gemessen wird zu betrachten!

Die unterschiedlichen ERoEI. Quelle: C. Hall, et al.

Eine wichtige Komponente die oft unterschlagen wird ist wo der ERoEI im System gemessen wird, was auf die Arbeiten von C. Hall zurückgeht:

1. Direkt an der Ölquelle – oder am Spannungsausgang des PV-Moduls bzw. der Windkraftanlage?
2. An der Tankstelle bzw. der Steckdose des Verbrauchers? – was dann  die Umwandlungs- und Transportverluste (z.B. Transformatoren, Raffinerie, Transport von Öl per Schiff und LKW) auf dem Wege von der Quelle bis zum Verbraucher beinhaltet.
3. Oder z.B. im Falle eines Kfz das was “an Kraft auf die Straße kommt“, also die wirkliche Arbeit, die das Barrel Öl oder die KW/h Strom am Ende verrichtet? – denn hier gibt es ja starke Unterschiede der Wirkungsgrade einer Verbrennungsmaschine bzw. eines E-Motors!

Interessant in diesem Kontext ist das das ETP-Modell der The Hills Group implizit versucht genau den ERoEI zu berechnen, der beim Verbraucher der Energie wirksam wird. Darüber wären dann auch Aussagen möglich, wie lange ein Barrel Öl (im Durchschnitt über alle Ölquellen) einen wirklichen Netto-Energie-Beitrag zur Welt-Wirtschaft liefern kann. Die Hills Group nimmt an, das der Nullpunkt für konventionelles Öl um das Jahr 2030 erreicht wird.

Anm.: Alle Zahlen in diesem Text beziehen sich auf den ERoEI an der Quelle – da 2. und 3. abhängig von Infrastruktur und Einsatzbereich sind.

Was ist die Relevanz des ERoEI?

Es wird angenommen das unsere aktuelle industrielle Zivilisation einen Gesamt-ERoEI (an der Quelle) über alle Energieträger von deutlich über 10 benötigt um (weiter) funktionieren zu können. Das heißt aber auch, das u.a. Braunkohle (sehr hoher ERoEI, mal mit 30-40 angenommen) Öl aus Teersänden (<=5 nach Postcarbon Institute) – aber auch PV (z.B. 2,5 in Spanien) energetisch bezuschusst. So kann mit einer ERoEI Berechnung grundsätzlich erst einmal ausgesagt werden ob diese Energiequelle bzw. Ressource einen Nettobeitrag zu unserer (zukünftigen) Energieversorgung leistet – denn vom energetischen Überschuss muss unsere Zivilisation geschmiert und betrieben werden.

Überschuss = Nutzbare Energie die Herauskommt - Energieeinsatz

Gerade das ist auch das Problem das aktuell viele EE Technologien, wie z.B. der einer PV-Stromversorgung hat. Diese löst das energetische Problem nicht, sondern verschleiert es nur. Erst einmal stellt sich die Frage ob eine PV-Versorgung, die in Nevada natürlich einen höheren Erntefaktor hat als hier in Deutschland, mit dem notwendigen Speicher trotzdem einen Erntefaktor von Größer 1 ergibt (eine Studie gibt einen ERoEI von <1 für PV in Deutschland noch ohne! Speicherung an).

Aber selbst ein höherer ERoEI würde nicht reichen. Dies, da z.B. die Batterieproduktion (z.B. zur Speicherung von EE-Strom oder in Kfz) an sich eine Technologie am „oberen Ende“ einer technischen Zivilisation ist und als Input einen hohen Erntefaktor (ERoEI) benötigt. Den liefert ein PV-Speichersystem auf Basis heutiger Technologie aber nicht. Die energetische Subvention steckt dann in den PV-Modulen und in der Fabrik und den Anlagen selbst. Aber auch ohne Speicherung von PV-Strom in Batterien muss z.B. ein Backup-Kraftwerk (meist Gas) bereitstehen. Auch in dem Aufbau und der Bereithaltung dieses Kraftwerks (redundante Struktur) steckt Energieeinsatz, den den ERoEI von PV deutlich vermindert – wenn nicht sogar ebenfalls negativ macht.

Was ist daran so wichtig? – der Energiehaushalt!

Bild 2.: Energiehaushalt (Quelle: C. Martenson, Der Crash Kurs, Kapitel 17b)

Kurzum: Alles was wir in den letzten ca. 80 Jahren aufgebaut haben hat (neben Kohle) u.a. von dem “superhohen” ERoEI von Öl (anfänglich ca. 100:1) profitiert. Dieser energetische Überschuss hat unserer Spezies das unermessliche Wachstum und einem Teil der Weltbevölkerung auch den aktuellen Luxus beschert. Selbst wenn wir die gleichen Mengen weiter finden und fördern würden – der ERoEI der aktuellen Ölquellen ist so weit gefallen (ca. 10:1) das der Überschuss immer weniger ausreicht um das existierende System weiter expandieren zu können – weil dieses gleichzeitig einen immer höheren ERoEI benötigt (steigende Komplexität).

Das Bild 2 (Energiehaushalt) verdeutlicht das Prinzip. Ein (steigender) Teil der erzeugten bzw. geförderten Energie muss bereitgestellt werden um die Energie für Morgen bereitzustellen – und steht nicht mehr dem Konsum zur Verfügung. Bild 1 macht das “Energie-Kliff” in Bezug auf den ERoEI sichtbar, das sich beim unterschreiten von einem ERoEI von ca. 10 auf tut. Es ist oder scheint also alles lange in Ordnung – und auf einmal beginnen die Probleme die keiner so recht zuordnen kann.

Beispiele zum ERoEI

Die Beispiele zum ERoEI basieren auf einem Artikel von Louis Arnoux und bieten eine Übersicht was mit den verschiedenen (Gesamt-)ERoEI möglich ist:

• 1:1 – Wir können Öl fördern und anschauen
• 1.2:1 – Aus Öl kann nun Diesel raffiniert werden – das wars.
• 1.3:1 – Der Diesel kann nur auch bis zur Tankstelle gebracht werden – das wars.
• 3:1 – Nun kann auch ein LKW mit den Diesel fahren und eine rudimentäre Verkehrsinfrastruktur aufgebaut werden – das wars.
• 5:1 – Nun können wir auch eine Ladung in den LKW packen – das wars.
• 8:1 – Dem Öl-Arbeiter, den Raffinerie-Arbeiter, dem Truck-Fahrer und dem Landwirt kann ein bescheidener Wohlstand (Leben) ermöglicht werden – das wars.
• 10:1 – Nun kann ein minimales Gesundheitssystem und eine schulische Ausbildung aufrecht erhalten werden – das wars.
• 20:1 – Grundlegende Konsumgüter werden möglich (Herd, Kühlschrank, Radio, TV, kleines Kfz) – das ist alles.
• 30:1 – Unser heutiger Lebensstiel wird möglich – sowie genug Überschussenergie um mit den (selbst geschaffenen) Umweltproblemen umzugehen.

Sinke also der Gesamt-ERoEI über alle Energieträger weiter – dann laufen wir schon recht mittelfristig in deutliche Probleme. Unter diesem Licht ist ggf. auch zu verstehen, das PV & Wind (welche ja auch Speicher bzw. ein fossiles Backup-Kraftwerk benötigen) mit ERoEI zwischen 2 und 15 (noch ohne Speicher – der senkt den ERoEI nochmals deutlich) kein Blumentopf zu gewinnen ist – ja der energetische Abstieg aktuell noch beschleunigt wird!

Energie (ERoEI) & “Peak-Oil”  in Verbindung mit Kredit, Rendite & Co.

Bei der Einführung in den ERoEI hört das ganze nicht auf. Um das gesamte Thema bzw. die Wichtigkeit von Energie für unser Leben, die Implikationen und das oft erwähnte “Peak-Oil” zu verstehen ist es auch wichtig unsere aktuelle Ökonomie zu verstehen.

Denn insbesondere das “Peak-Oil” (wie auch Peak-Gas, Peak-Kohle, etc. pp) wird wohl ein vorrangig ökonomisch (also indirekt ein energetisch) determiniertes Ereignis sein – weniger ein geologisch bestimmtes. Irgendwann lohnt sich die Förderung eben einfach nicht mehr. Wann das ist, das versucht u.a. das ETP-Modell zu determinieren.

Was ist das Problem der Ökonomie bzw. Wirtschaft? U.a. der Faktor Kredit und die Zeitdauer der Vorfinanzierung sind da sehr wichtig. Um das ganze hier aber nicht zu kompliziert zu machen, verlinke ich nur auf einen Foliensatz und einen Artikel von Gail Tverberg (OurFiniteWorld.com) – der durch diese Einführung verständlicher sein sollte. Ein anderer Artikel in Deutsch: Energie, Rendite, Kapitalismus und Marktwirtschaft: Ein geniales Gespann mit endlicher Lebensdauer (Backup) – geht das ganze Thema vom systemischen her an. Ggf. schreibe ich dazu auch noch einmal eine Zusammenfassung – weil dies letztendlich wichtig ist um die “Roadmap” in die Zukunft zu verstehen.

Kritik am ERoEI?

Die besten Kritiken bez. des ERoEI Konzepts die ich kenne, kommen ebenfalls von Gail Tverberg, welche Sie auch in Ihrem Blogpost How Researchers could miss the Real Energy Story thematisiert. Frau Tverberg sagt damit nicht, das das ERoEI Konzept nicht aussagekräftig oder falsch ist – ganz im Gegenteil. Frau Tverberg will meines Verständnisses nach anmerken, dass das ERoEI Konzept viele wichtige Dinge unberücksichtigt lässt und deswegen irreführend sein kann, weil die Wirklichkeit komplexer und ggf. schon kritischer ist als die ERoEI Zahl vermuten lässt. Hier ein aktueller Kommentar:

Gail Tverberg says: November 6, 2016 at 9:11 pm

Nachfolgend noch andere interessante Artikel und Videos zum Thema ERoEI die noch andere Aspekte als die hier kurz vorgestellten aufgreifen.

Andere Erklärungen für den ERoEI:

• Peak-Oil, LROEI oder der Unterschied zwischen Möglichem und Sinnvollen (Peak-oil.com – Der Artikel dreht sich um den “Sinnvollen Energieeinsatz aus Sicht der Produktivitätserhöhung.” -> “Labor Return of Energy Invested“ (LRoEI))
• Das ETP-Modell der HillsGroup: EROI des Ölfördersystems (Peak-oil.com – sehr interessant, versucht eine Vorausschau auf den zukünftig ggf. – sinkenden! – Ölpreis)
• Die Energiefalle (Deutsche Übersetzung eines Artikels vom Do The-Math Blog von Prof. Tom Murphy – mit Fokus auf Limitierungen bezüglich der Substitution und des Umbau unseres Energiesystems u.a. auf “erneuerbare Energien”)
• ERoEI for beginners (Euan Mearns vom Energy Matters Blog – insbesondere wertvoll, da er auch das “Net Energy Cliff” also die Nettoenergieklippe anspicht)
• Martensons Crash Course Kapitel 19: Energy Economics (Peakprosperty.com – ERoEI, Nettoenergieklippe & Co. erklärt in Videoform)
• Lustige Erklärung des ERoEI bei Cassandras Legacy Blog (Prof. Ugo Bardi, Club of Rome Italien – erklärt auf Basis des Turmbau zu Babel und der Problematik die Ressourcen von immer weiter weg heranzukarren)
• The real ERoEI of photovoltaic systems (Gastbeitrag von Charles Hall bei Ugo Bardis Blog)
• Why aren’t net energy and Energy Returned on Invested the basis of U.S. energy policy? bei Energy Skeptic – Ein ziemlich langer Aufsatz übver ERoEI und u.a. seine Historie.