Die Pionierarbeit des Physikers Sadi Carnot zur Thermodynamik wird gerne als Argument in Energiewende-Debatten hergenommen. Sein "Wirkungsgrad" feiert gerade 200. Geburtstag. Zeit, um mit einem großen Missverständnis aufzuräumen.
„Viel Erfolg für Ihre Veranstaltung in Stuttgart!“ – ruft Carnot im September 2024 den Teilnehmern des Jubiläumskolloquiums „Von der Dampfmaschine zur Carnot-Batterie – 200 Jahre Carnotscher Wirkungsgrad“ in seiner Videobotschaft zu. Olivier Carnot ist Ur-Ur-Ur-Urenkel von Lazare Carnot, Kriegsminister unter Napoleon Bonaparte und Vater des Begründers der Thermodynamik Sadi Carnot (1796–1832). Carnot-Nachfahre Olivier residiert im Schloss seiner Vorfahren in Presles bei Paris. Dort pflegt er gemeinsam mit seiner Frau Alix das Erbe seiner prominenten Familie.
Im Jahr 1824 veröffentlichte Sadi Carnot sein Hauptwerk „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance“. Daraus wurden später der Carnot-Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen sowie die Carnot-Leistungszahlen von Kältemaschinen und Wärmepumpen abgeleitet. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel mechanische oder elektrische Energie man aus einer Kilowattstunde Wärme gewinnen kann. Die Leistungszahl beschreibt die Menge an Kälte und Wärme, die man aus einer Kilowattstunde mechanischer oder elektrischer Arbeit erzeugen kann. Die weitere Entwicklung der Thermodynamik über Robert Mayers Energieerhaltungssatz 1842 und Rudolf Clausius‘ Entropiebegriff 1865 bildete die theoretische Grundlage für die industrielle Revolution. Dank der Berechnungsmethoden für thermodynamische Kreisprozesse wurde die systematische Entwicklung von Kohlekraftwerken, Verbrennungsmotoren, Flugzeugturbinen, Klimaanlagen und Wärmepumpen möglich.
Der Einfluss von Carnots Arbeiten reicht bis in die aktuellen Energiewendethemen hinein, speziell in die Energiespeicherforschung zu Carnot-Batterien. Dabei handelt es sich um kraftwerksgroße Systeme, bei denen Strom aus Sonne und Wind mittels Elektroheizer oder Wärmepumpe in Wärme umgewandelt, in preiswerten Materialien wie Salzschmelzen oder Natursteinen gespeichert und bei Bedarf mittels Dampf- oder Gasturbinen in elektrische Energie zurückverwandelt wird. Carnot-Batterien werden zur Zeit weltweit intensiv erforscht und könnten künftig zur preiswerten Stromspeicherung im Gigawattstundenmaßstab beitragen.
Verbotsphantasien unter Berufung auf die Thermodynamik
Doch es wäre zu einfach, die Würdigung von Carnot auf technische Aspekte zu verengen. Das Carnot-Jubiläum bietet Anlass, vor thermodynamischem Populismus zu warnen.
Bei Diskussionen über Energiepolitik ist oft zu hören, aus Effizienzgründen seien das Elektroauto dem Verbrennungsmotor und die Wärmepumpe der Gasheizung vorzuziehen. Diese Argumente werden dann als Begründungen für eine angebliche wissenschaftliche Notwendigkeit von Verbrennerverbot und Heizgesetz herangezogen. Dabei handelt es sich in Wirklichkeit um Energiewendemärchen. Selbstverständlich steht es jedem Bürger frei, sich alles im Rahmen des Grundgesetzes Denkbare zu wünschen – vom Verbrennungsmotorenverbot über die Verbannung von Schlabberhosen aus Hörsälen bis hin zum Ausstieg aus der Windenergie. Es ist jedoch ganz und gar inakzeptabel, Verbotsphantasien unter Berufung auf die Thermodynamik in den Rang der Alternativlosigkeit zu erheben.
Der thermodynamische Wirkungsgrad ist tatsächlich eine wichtige Kenngröße, um die Verbesserung einer einzelnen Technologie zu beziffern. So lässt sich der technische Fortschritt bei Flugzeugtriebwerken an Sprüngen im Wirkungsgrad im Verlauf der Jahrzehnte ablesen. Die Aufwärtsbewegungen sind mit Innovationen wie neuen Materialien, höherem Nebenstromverhältnis und numerischer Strömungssimulation verknüpft. Ähnliches gilt für Dampfkraft- und Gasturbinenprozesse in Kohle-, Kern- und solarthermischen Kraftwerken.
Das Carnot-Jubiläum ist der richtige Moment, um eine unbequeme Wahrheit auszusprechen: Der Wirkungsgrad ist für die praktische Anwendung in einer Marktwirtschaft bedeutungslos. Über den Markterfolg einer Technologie entscheiden nämlich weder Politiker noch Kennziffern aus dem akademischen Elfenbeinturm, sondern Kosten! Kosteneffizienz wird ausgedrückt in Euro pro Kilowattstunde oder Cent pro Passagierkilometer. Würde es beispielsweise morgen gelingen, klimaneutrales synthetisches Kerosin zu erzeugen – mit einem grottenschlechten Wirkungsgrad, aber zu einem sensationell niedrigen Preis von weniger als 50 Cent pro Liter, wäre das Problem der Dekarbonisierung der Luftfahrt übermorgen auf einen Schlag gelöst. Kosten sind das beste Maß für den zusammengefassten gesellschaftlichen Aufwand einer Technik. Deshalb gehören sie und nur sie ins Zentrum der politischen Debatte. Der Wirkungsgrad sollte hingegen bleiben, wo er wirklich gebraucht wird: in Tüftlerstübchen und Forschungslaboratorien.
Die Unwissenschaftlichkeit des EU-Funktionärslateins
Die Schwäche des Wirkungsgrad-Arguments gilt im Übrigen auch umgekehrt für Energiewendeskeptiker bei deren Kritik an der Idee einer Wasserstoffwirtschaft. Sie führen gern ins Feld, die geringe Effizienz der Wirkungskette Strom-Wasserstoff-Strom sei ein Killerkriterium für eine „hydrogen economy“. Doch auch hier ist nicht der Wirkungsgrad, sondern der Preis entscheidend. Würde es morgen gelingen, grünen Wasserstoff zu einem Preis von deutlich unter einem Euro pro Kilogramm herzustellen, würde der Markt dem Hersteller dieses Produkt trotz schlechten Wirkungsgrades aus den Händen reißen. Danach sieht es freilich weder heute noch in absehbarer Zukunft aus. Heute kostet grüner Wasserstoff über sechs Euro pro Kilogramm.
Die Unwissenschaftlichkeit des EU-Funktionärslateins „efficiency first“ war übrigens schon lange vor Carnot offensichtlich. Glücklicherweise musste Thomas Newcomen im Jahr 1712 für den Bau der ersten Dampfmaschine kein Fördergesuch bei der EU einreichen. Hätte er im Antragsformular den Wirkungsgrad wahrheitsgemäß auf ein bis zwei Prozent beziffert, so wäre das Projekt mit Verweis auf efficiency first abgelehnt worden. Die erste industrielle Revolution wäre ausgefallen.
Das wichtigste Vermächtnis von Sadi Carnot für die heutige Energie- und Klimadebatte könnte somit lauten: „Vergesst den Wirkungsgrad, schaut auf die Kosten!“
André Thess ist Professor für Energiespeicherung an der Universität Stuttgart und Autor des Buches „Sieben Energiewendemärchen?“ (Springer-Nature 2021) Der Beitrag erschien zuerst im Magazin Cicero.
Beitragsbild: Montage achgut.com/ pixabay.de/ Louis-Léopold Boilly - https://www.alamy.com/portrait-of-lazare-nicolas-marguerite-comte-carnot-1753-1823-museum-private-collection-image212355036.html, Gemeinfrei, via Wikimedia Commons
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Ein Musterbeispiel von grüner Einfalt ist das Glühbirnenverbot durch die EU-Bürokraten. Erst wurden uns die giftigen Quecksilberdampflampen aufgezwungen. Dann werden sie wieder verboten. Die Folge des Glühbirnenverbots ist, dass die Strahlungswärme entfällt und man somit bei gleicher gefühlter Temperatur mehr heizen muss. Eine 60 Watt-Glühbirne in der Stehlampe im Wohnzimmer hat zur Folge, dass man die Temperatur um etwa ein Grad reduzieren kann und etwa 1000 Watt Heizenergie spart.
Hallo Herr Haferburg, wozu Strom aus Fluid-Reaktoren in Wasserstoff umwandeln ? Wenn die Dinger dereinst in Stückzahlen zum Stromern kommen, fange ich an, übers E-Auto nachzudenken. Wozu dann Wasserstoff ?
Am ende entscheidet der Kosten- Nutzenaufwand! Die vielen Stufen der Energiewandlung, bis hin zur Energienutzung beim Verbraucher, ist allerdings auch durch den Wirkungsgrad der einzelnen Stufen gekennzeichnet. Je schlechter der Wirkungsgrad jeder einzelnen Stufe desto größer der materielle Aufwand, sprich Kosten.
Das ist ja das generelle Problem der „Erneuerbaren“, das macht sie so teuer, ihr Material- und Umweltverbrauch ist um ein vielfältiges höher als bei der fossilen Energieumwandlung. Deshalb müssen sie seit 25 Jahren und auch in der Zukunft Subventioniert werden!
Sie haben natürlich recht. Die fanatischen Politiker sind aber leider weniger dumm als es scheint: Indem sie die Kosten über Steuern (wie „CO2-Steuern“) künstlich verzerren, machen sie irgendwann auch viel zu teure Technologien „konkurrenzfähig“. Das ist zwar volkswirtschaftlicher Rückschritt und wird scheitern, aber bis dahin können die Sponsoren „grüner“ Politik märchenhaft abkassieren. Und nur darum geht es.
Danke dem Autor, dass hier in Deutschland auch einmal die Kostenfrage beleuchtet wird, denn nur aus diesem Grund wollen die Klimatiker an die Schuldenbremse ran, es geht ihnen das Geld aus, wegen der (zu) horrenden Kosten für die sinnfreie Energietransformation, oder?
Und da haben wir noch einen Unterschied, Energie geht nicht verloren (aus), erarbeitetes Steuergeld der anderen schon, oder?
@Matthias Müller: Ich glaube, Sie haben da etwas gründlich missverstanden, jedenfalls lese ich das aus der Bemerkung „aber spottbillig (weil hoch subventioniert)“ heraus. Wie beim Wirkungsgrad geht es auch bei den Kosten um den „echten Wert“ und nicht einen durch Tricks (Prüfstandkonfiguration bzw. Subventionen) verfälschten. Wenn es da keine politischen Eingriffe gibt, wird der Preis (die Kosten) alle die aufgeführten Einflüsse widerspiegeln – wie bei jeder Regelung mit mehr oder weniger großen „Einschwingungen“. Wenn alles seinen echten Preis hat, ist die ganze Diskussion müßig, weil der Markt entscheidet und auf die Dauer kommt dann auch der jeweilige Wirkungsgrad zu seinem Recht.
Da der Wirkungsgrad den technischen Fortschritt anzeigt, muss man wissen, dass effizientere (wirtschaftlichere) Technik [nämlich mit einem höheren Wirkungsgrad] in der Regel kostensenkend wirkt. Das ist ein Grund, warum man in der Chemie nach Katalysatoren forscht, die den Energieverbrauch massiv senken und so bestimmte Herstellungsverfahren erst ermöglichen. Gleichzeitig sucht man nach effektiveren (wirksameren) Verfahren, etwas herzustellen. Natürlich nützt eine effizientere Technik nichts, wenn sie trotz grosser Märkte dafür aus vielerlei Gründen [Rohstoffe dafür, nicht beherrschbare Gefährlichkeit, Umweltschäden …] sündhaft teuer ist.