Der physikalische Blick auf die Energiewende

Deutschlands Energieversorgung muss klimaneutral werden – eine Mammutaufgabe. Durch die geschickte Wahl effizienter Verbraucher wird die Umstellung aber leichter, als es auf den ersten Blick scheint.

Ein Beitrag von Michael Büker

Eine hocherfreuliche Nachricht machte jüngst die Runde: Laut Bundesnetzagentur (2025) stammten im Jahr 2024 59 Prozent des in Deutschland erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien. Ein beachtlicher Erfolg! Doch leider verschleiert diese Zahl, wie weit der Weg zu einer komplett klimaneutralen Energieversorgung noch ist. Denn die AG Energiebilanzen (2025) ermittelte, dass die Stromerzeugung weniger als ein Drittel des deutschen Primärenergieverbrauchs ausmacht. Der Rest entfällt vor allem auf den Verkehr, das Heizen von Gebäuden und die Industrie. Dort dominieren jedoch nach wie vor fossile Energieträger: Der Verkehrssektor bezieht gemäß AG Energiebilanzen (2025) über 90 Prozent seiner Endenergie aus Mineralölprodukten (davon rund 80 Prozent für Kraftfahrzeuge und 15 Prozent für Flugzeuge). Die Heizwärme in deutschen Wohnhäusern kommt etwa zur Hälfte aus Erdgas und zu einem Viertel aus Erdöl (BDEW 2023). Und auch die Industrie bezieht mehr als die Hälfte ihrer Endenergie aus Erdgas, Kohle und Öl (AG Energiebilanzen 2025).

Die anstehende Aufgabe

In absoluten Zahlen hatte Deutschland 2024 einen Primärenergieverbrauch von rund 10.500 Petajoule. Davon wurden 20 Prozent aus erneuerbaren Energien gewonnen – doch mehr als drei Viertel entfallen nach wie vor auf fossile Energieträger (AG Energiebilanzen 2024).

Welche gewaltigen Massen hinter diesen Zahlen stecken, zeigt die Umrechnung in eine altertümliche, aber in der Energiewirtschaft gebräuchliche Einheit: Demnach gewinnt Deutschland jedes Jahr aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas eine Energiemenge von rund 275 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten.

Doch diese Zahlen sind kein Grund für Pessimismus. Die Primärenergie aus fossilen Energieträgern muss nämlich mitnichten eins zu eins durch erneuerbar gewonnene Energie ersetzt werden. Vielmehr kann – dank physikalisch klug gewählter Verbraucher – ein großer Teil unseres Primärenergiebedarfs wegfallen, ohne dass wir weniger Nutzenergie zur Verfügung hätten.

Elektrifizierung spart Energie

Wie das geht, zeigt sich besonders anschaulich am Beispiel eines Pkws. Ein gängiger Verbrauchswert für einen Verbrennungsmotor sind laut Umweltbundesamt (o. J.) 7 Liter Kraftstoff auf 100 Kilometer. Um diesen Kraftstoff in einer Raffinerie herzustellen, wird Rohöl mit einem Energiegehalt von etwa 70 Kilowattstunden (kWh) eingesetzt. Die Verbrennung des Kraftstoffs im Motor setzt schließlich etwa 65 kWh an Wärmeenergie frei (Skarcis 2018).

Diese Wärmeenergie muss jedoch noch in Bewegung umgewandelt werden, als Drehung der Antriebsachse. Dabei treten unweigerlich Verluste auf: Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik bedingt, dass Wärmekraftmaschinen nach Art des Otto- oder Dieselmotors höchstens 40 bis 45 Prozent der freigesetzten Wärmeenergie in Bewegung umsetzen können, der Rest geht als Abwärme verloren. Reibungsverluste und ungünstige Laufbedingungen des Motors halbieren die Energieausbeute nochmals. Letztlich stehen nur rund 15 kWh als Nutzenergie zur Verfügung, um den Pkw auf der Straße zu bewegen.

Wichtige Energiebegriffe

Primärenergie: ursprünglicher Energiegehalt des eingesetzten Energieträgers (z. B. chemische Energie in Rohöl)

Endenergie: Energiegehalt des Energieträgers bei den Endverbraucher:innen (z. B. chemische Energie in Benzin; elektrischer Strom)

Nutzenergie: letztendlicher Nutzen aus dem Verbrauch der Endenergie (z. B. Bewegung eines Autos; Licht aus einer Lampe)

Wie viel Energie braucht ein vergleichbar ausgestattetes Elektrofahrzeug, um die gleiche Strecke emissionsfrei zu fahren? Erfreulicherweise ist die Effizienz von Elektromotoren doppelt so groß wie die von Verbrennungsmotoren. Unter Berücksichtigung von Wandlungs- und Transportverlusten im Stromnetz und der Batterie müssen für die besagten 100 Kilometer etwa 23 kWh an erneuerbarer elektrischer Energie bereitgestellt werden (TÜV Nord o. J.).

Eine bemerkenswerte Bilanz: Der Einsatz von 70 kWh an importiertem Rohöl lässt sich emissionsfrei durch 23 kWh heimisch erzeugten Ökostrom ersetzen – für dieselbe gefahrene Strecke.

Würde der gesamte Straßenverkehr in Deutschland auf diesem Wege umgestellt, so würden der AG Energiebilanzen (2025) zufolge gut 60 Prozent der heutigen Rohölimporte nach Deutschland überflüssig. Die eingesparte Primärenergie entspräche 40 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten – immerhin 11 Prozent des deutschen Primärenergieverbrauchs.

Im Gegenzug müsste natürlich der Stromverbrauch steigen – aber lange nicht so stark, wie viele vermuten: Ein „über Nacht“ elektrifizierter Straßenverkehr würde zusätzliche 100 Terawattstunden im Jahr (TWh/a) für Pkws und weitere 50 TWh/a für Lkws erfordern. Der gegenwärtige deutsche Stromverbrauch von rund 500 TWh/a müsste also nur um etwa ein Drittel wachsen.

Podcast-Tipp

Im Podcast „Jetzt mal ganz in Ruhe“ gehen zwei Physiker und ein Wissenschaftsjournalist den Themen Klimawandel und Energiewende auf den Grund – ohne erhobenen Zeigefinger, politisches Hickhack und Schuldzuweisungen. Und bei aller Ernsthaftigkeit des Themas vor allem: fröhlich. Die erste Staffel widmet sich unter anderem den Themen: Treibhauseffekt, Energieverbrauch, Wolken, Elektrizität, Landwirtschaft, Fusionsenergie.

Erneuerbare Wärmeversorgung

Ähnliche Effizienzgewinne schlummern bei der Wärmeversorgung. Hier scheint die Verbrennung fossiler Energieträger bereits hocheffizient: Immerhin können moderne Heizungsanlagen rund 90 Prozent der Wärme aus der Verbrennung als Heizenergie bereitstellen.

Ein üblicher Verbrauchswert für ein Einfamilienhaus von 10.000 bis 20.000 kWh Heizenergie pro Jahr lässt sich also durch die Verbrennung von rund 12.000 bis 25.000 kWh an Erdgas oder Heizöl gewinnen.

Doch die gleiche Heizenergie könnte auch von einer Wärmepumpe geliefert werden, die – je nach Wetterlage – nur rund 3.000 bis 7.000 kWh an elektrischer Energie verbraucht und dabei mit erneuerbar erzeugtem Strom sogar emissionsfrei arbeitet.

Dieser rechnerische Wirkungsgrad von 300 bis 400 Prozent scheint auf den ersten Blick unmöglich. Die Erklärung ist, dass eine Wärmepumpe die gelieferte Wärmeenergie nicht selbst freisetzt, sondern zu einem großen Teil nur von einem Ort zum anderen transportiert (nämlich von außerhalb des Hauses ins Haus hinein). Das funktioniert auch bei sehr kaltem Wetter, denn selbst dann enthält die Luft noch reichlich Wärmeenergie. Davon zeugt auch die physikalische Temperaturskala, die selbst im tiefsten Winter noch Werte von über 250 Kelvin ausweist. Und selbst bei Sommerhitze sind Wärmepumpen nützlich, denn bei geeigneter Installation können sie ein Gebäude auch als Klimaanlage kühlen.

In Summe ließen sich mit der Umstellung der Wärmeversorgung auf Wärmepumpen pro Jahr etwa weitere 50 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten an Primärenergieverbrauch einsparen, für einen Anstieg des Stromverbrauchs um weitere 160 TWh/a.

Lesetipps

Harald Lesch et al.: Den Klimawandel verstehen – ein Sketchnote-Buch, Springer 2021

Christian Holler et al.: Erneuerbare Energien zum Verstehen und Mitreden, C. Bertelsmann 2021

Daten zum Energieverbrauch Deutschlands in unübertroffener Tiefe:

aktuelle Zahlen, Infografiken und Erklärungen zu Emissionen, Energieverbrauch, Klimawandel und Umweltpolitik:

Was zu tun bleibt

Leider gibt es Bereiche, die sich weniger gut umstellen lassen. So lässt sich etwa die enorme Energiedichte von Flugzeug-Kerosin voraussichtlich nicht durch Lithium-Ionen-Akkus mit ihrer deutlich geringeren Energie- und Leistungsdichte ersetzen.

Außerdem benötigt in der Industrie etwa die Herstellung von Stahl und Zement sehr hohe Temperaturen bzw. Kohlenstoff als Reaktionspartner, die bisher aus fossilen Energieträgern stammen. Hier müssen neue Prozesse entwickelt werden, die teilweise auf erneuerbar gewonnenen Wasserstoff angewiesen sein werden – eine Ressource, die nur unter sehr hohem Energieaufwand gewonnen werden kann.

Dennoch ist der beste Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung klar: nämlich die Elektrifizierung des Verkehrs und der Wärmeversorgung mit physikalisch klug gewählten Verbraucher. Dass dieser Plan aufgehen kann, hat sich bereits gezeigt: Mit dem Anstieg des Anteils erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch von 5 auf 20 Prozent seit 2005 hat sich der Primärenergieverbrauch von 14.500 Petajoule um mehr als ein Viertel auf 10.500 Petajoule reduziert – während der Endenergieverbrauch stabil blieb. Klimaschädliche Emissionen abstellen und weniger Primärenergie verbrauchen, ohne auf Nutzenergie zu verzichten – wer sollte dazu schon Nein sagen?

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