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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Natürlich ist es NICHT der Preis, der in einer Marktwirtschaft den Antreiber bildet. Nur der Gewinn treibt den Produzent an, etwas zu produzieren.
Und hier bildet der Gesamtwirkungsgrad des Systems, also letztlich die Kosten für Energie, die man rein steckt und Energie, die man abzüglich der verpuffenden Wärme wieder raus bekommt der Gewinn. Also eine energetische Gesamtbilanz vom Rohstoff, menschlicher Arbeit, bis hin zum Endprodukt.
Ein E-Auto ist eben deshalb so teuer, weil erst einmal viel Energie rein gesteckt wird. Dann muss man noch den „braunen“ deutschen Strom erzeugen (inkl. Kohleabbau, Gasverschiffung….) um dann ein paar Kilometer Batteriestrom in Bewegung umzusetzen. Da spiel der Wirkungsgrad des E-Motors keine große Rolle mehr.
Die vom Autor dargelegten Beispiel (bspw: synthetisches Kerosin) sind ja gerade deswegen so teuer, weil viel Primär-Energie in Wärme übergeht, und eben nicht in kinetischer Energie endet. Deswegen ist die Argumentation eine Pseudodebatte.
Einen klaren Fokus bei der Debatte auf die Kosten finde ich sehr gut. Allerdings herrscht an dieser Stelle in der politischen Debatte häufig Unklarheit bezüglich der Definition. Redet man über heutige Nutzerkosten oder angenommene Nutzerkosten in 10 Jahren, sind Klimafolgekosten oder sonstige Umweltschäden eingepreist oder nicht. Umso höher dieser Internalisierungsgrad ist, umso sinnvoller erscheint mir die reine Kostenrechnung und umso aussagekräftiger wird dann vermutlich auch ein theoretischer Wirkungsgrad als Indikator für die Kosteneffizienz einer Technik.
Professor Thess hat völlig recht. Der Dual-Fluid-Reaktor könnte mit Strom für 3 Cent/KWh billigen Wasserstoff produzieren.
Die Grundvorstellung revolutionärer Technik zum Schutz der Umwelt fand ich schon immer begrüßenswert und auch die intensive Forschung dafür. Der „Flux-Kompensator“ ist wohl noch immer einer der Träume der Menschheit. Der Grundfehler der heutigen Politik ist allerdings in meinen Augen,, den tatsächlichen Forschungsstand zu ignorieren. Ständig wird überall von „Durchbrüchen“ geredet und man hört danach nie wieder etwas davon. Man liest von billigen Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad aus Pflanzenfasern – aber wo sind sie? Die einen scheitern eben, weil die Technologie zu teuer ist oder man kann damit schlecht in Massenproduktion gehen. Oder vielleicht fehlt auch das Geld für die Umsetzung. Oder das Produkt ist nicht haltbar, weil nicht ausgereift. In meiner Vorstellung würde die Politik dem tatsächlichen Stand der Technik folgen, so war es früher. Vernunft statt weltfremder Vorgaben und Grenzwerte. In jede Fall ist jede Umwandlung einer Energieform in eine andere mit Verlusten verbunden, die man bei der Gewinnung der Primärenergie nicht hat. Wie nämlich bei den Verbrennermotoren. Deshalb sind sie noch immer das Beste, was wir bislang haben. Und wer eine sauberere Lösung will, der kann schon lange mit Erdgas fahren. Was mich allerdings an dem Beitrag wirklich stört, ist die Verwendung des Begriffs „klimaneutral“ – was die Weltsicht des Autors hier in naturwissenschaftlich unsinnige Ideologie verweist. Es wurde bis heute kein echter Beweis für den Zusammenhang der längerfristigen Temperaturentwicklung und des vergleichsweise wenigen CO2s in der Luft geführt, wegen der Vielzahl der Einflüsse bleiben es Hypothesen. Und die Wahrscheinlichkeit spricht tatsächlich gegen diese These, wenn man sich die Bedeutung der wesentlichen Einflüsse im Vergleich ansieht. Nur ein großer Vulkanausbruch beispielsweise. Also bekommt man hier wieder Ideologie quasi durch die Hintertür – das ist wohl schon Framing.
Jetzt sind wir tatsächlich im Stadium des „thermodynamischen Populismus“ angekommen. Danach kommt nur noch der schwarze Hautkrebs. Der Patient ist verloren. Kosten sind ja etwas Wunderbares und gar nicht geheimnisvoll. Sie lassen sich meist auf einen Aufwand zurückführen, den der aktive Mensch treiben musste, um seine Absichten zu bewerkstelligen. Je umständlicher die Vorgänge sind, die ich in Bewegung setze, je mehr Arbeitskräfte tätig werden müssen, um so mehr Aufwand, um so höher die Kosten. Die Kosten bleiben verschwindend niedrig, wenn ich etwas Einfaches tue, z.B. Früchte sammeln oder Pilze. Im Grunde könnten wir auch Wasserstoff so aus natürlichen Quellen gewinnen, etwas mühsam freilich, aber möglich. Die früheren Wassermühlen, die eigentlich am Beginn der Technisierung des menschlichen Daseins standen, waren unendlich günstig bei minimalem Wirkungsgrad. Um die gewaltigen Energiemengen zu gewinnen, die in der von uns favorisierten Art Gesellschaft benötigt werden, ist ein großer Aufwand nötig. Unabhängig fast von der Technik, die angewandt wird. Damit eine neue Technik, hinter der ein noch größerer Aufwand steht, Eingang in das Sortiment der herkömmlichen Wettbewerber eintreten kann, muss deren Potential erschöpft sein. Darum hätte schon die Nutzung der Kernspaltung ohne Subventionen eigentlich keine Chance gehabt. Aber die Energie wurde gebraucht und war einfacher, das heißt herkömmlich nicht zu beschaffen. Genauso wird es auch mit den künftigen, vom Populismus getriebenen Energiewandlern kommen, mögen die Ideen, die dahinter stecken, noch so verrückt sein. Wobei ein gutes Lastmanagement sicher zehn bis zwanzig neue Kraftwerke ersetzen kann. Man müsste das irgendwie bepreisen können. Auch in den Supraleitern steckt ein Potential von zehn bis zwanzig Prozent bei hohen Kosten, die eines Tages vom Markt gerechtfertigt werden.
Tand, Tand ist Alles von Menschenhand ! Die „ Fachkräfte “ haben irgendwie die Grundlagen / Haupsätze der Thermodynamik nicht verstanden ! Am Ende steht immer der „ Thermodynamische Tod “ :o((
Der Wirkungsgrad bestimmt den Preis. Its the economy. Stupid. Wenn der Wirkungsgrad schlechter, steigt der Preis, weil Energieaufwand immer Brutto bezahlt wird und nicht netto.
„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. “
Genau WÜRDE. Der Autor lebt in der gleichen Pippi-Langstrump Welt, wie die Leute,die er kritisiert.
WEGEN des schlechten Wirkungsgrades, ist es unmöglich, deutlich unter einem Euro herzustellen. Der Wirkungsgrad unserer Stromversorgung ist von 50% auf unter 25% gesunken. Entsprechend hat sich der Preis der kWh vervierfacht. Glaubt der Autor wirklich, er bezahlt mit der Stromrechnung die Energie, die der Zähler anzeigt???? Er bezahlt die Energie, wie alle anderen auch, die Brutto aufgewendet werden musste. Und die steigt nun mal,wenn der Wirkungsgrad sinkt. Das Märchen von der kostenlosen Energie von der Sonne hätte doch zu sinkenden Strompreisen führen müssen, trotz Wirkungsgrad von 10 oder jetzt 20% bei Fotovoltaik, wenn es KEIN Märchen wäre. Noch so ein Experte, den keiner braucht. In Sachsen droht eine Expertenregierung. BITTE NICHT.