Rationelle Energienutzung

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1 Rationelle Energienutzung
Johann Hartl Rationelle Energienutzung Sparsame Energieverwendung aus volks- und betriebswirtschaftlichen Gründen und dringende Erfordernis zum Schutz der Umwelt (besonders Klimaschutz)

2 = sparsamer Umgang mit Energie aus wirtschaftlichen Gründen und zum Schutz der Umwelt
= Minimierung des Energieeinsatzes unter energetischen, ökonomischen und sozialen Aspekten durch Vermeiden von unnötigem Verbrauch (Verbraucherverhalten) Senken der spezifischen Verbrauchswerte Hohe Wirkungs- und Nutzungsgrade – niedrige Energieumwandlungsverluste Energierückgewinnung bzw. Abwärmeverwertung Rationelle Energienutzung © Hartl

3 Rationelle Energienutzung © Hartl
Erforderlichkeit der rationellen Energienutzung: --- Ökologische, betriebs- und volkswirtschaftliche Gründe Globale Klimaveränderung durch hohen Energieverbrauch (Treibhauseffekt) mit großen ökologischen und volkswirtschaftlichen Schadwirkungen Weitere Schadwirkungen (Schadstoffe, Gewässerbelastung, Ozonschichtabbau, Lärm, Landschaftsbeeinträchtigung) Begrenzung der Betriebskosten (Gebäudebetrieb, Fahrzeugbetrieb, Produktion) Begrenzte Energieträger-Reserven und -Ressourcen besonders der heute bedeutendsten fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas Steigende Preise besonders für Öl und Gas bei weltweit steigender Nachfrage, sinkenden Vorräten und Problematik der Lagerstätten. Der Kosten- und Energieaufwand sowie die Umweltbelastung zur Ausbeutung der Lagerstätten nimmt zu. Wirtschaftsankurbelung : Die Durchführung von wirtschaftlichen Sanierungsmaßnahmen mit Energiespareffekt bringt Arbeitsplätze, betriebs- und volkswirtschaftliche Vorteile und auch Chancen für den Export. Die Entwicklung neuer Technologien wird unterstützt.

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Klimaveränderung durch den anthropogenen Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Durch die „Treibhausgase“ in der Atmosphäre, insbesondere Kohlendioxid, wird ein Teil der Sonnenstrahlung absorbiert. Die Atmosphäre an der Erdoberfläche wird auf eine Mitteltemperatur von etwa 15°C gehalten. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde unbewohnbar (mittlere Temperatur -15 °C). Vor 600 Mio Jahren war die Erde über mehrere Jahrmillionen fast vollständig von Eis bedeckt. Vulkane durchbrachen die Eisdecke und gaben „Treibhausgase“ an die Atmosphäre ab, wodurch in kurzer Zeit das Eis schmolz. Aus dem Eisplanet wurde eine Wärmehölle, bis sich schließlich eine Mitteltemperatur einstellte, die Leben für Pflanzen und Tiere ermöglichte. Durch Fotosynthese wurden große Mengen von CO2 in Pflanzen umgewandelt, die sich abgestorben in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas ablagerten. Diese wichtigen heutigen Energieträger stellen Kohlenstoffspeicher dar. In den letzten 2000 Jahren wich die Mitteltemperatur der Erdatmosphäre nur um etwa 0,5 Grad ab und in den Eiszeiten der letzten Jahrmillionen um bis zu 5 Grad. Messungen aus Eisbohrkernen zeigen den Zusammenhang von CO2- Gehalt der Atmosphäre und der globalen Temperatur. Der zusätzliche Treibhauseffekt: Der von Menschen verursachte (anthropogene) zusätzliche Treibhauseffekt ist primär durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe bedingt. Dabei wird der seit Jahrmillionen abgespeicherte Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid CO2 verbrannt und in die Atmosphäre abgegeben. Die Durchschnittstemperatur hat sich bereits um ca 0,5 Grad erhöht; örtlich sogar um bis zu 2 Grad (im Arktisbereich). Der Kohlendioxidgehalt ist von 280 ppm bis auf fast 380 ppm angestiegen. Neben dem Hauptverursacher CO2 werden durch menschliche Aktivitäten auch noch weitere Treibhausgase emittiert, wie Methan mit dem 21-fachen Effekt und Fluorchlorkohlenwassertoffe mit bis zum über fachen Treibhauseffekt von CO2. Die Folgen: teilweises Abtauen von Eismassen der Gletscher und der Eisdecke der arktischen und antarktischen Meeresbereiche. Auf dem Höhepunkt der letzten Eiszeit vor etwa Jahren lag das Ozeanniveau um 120 m tiefer. Durch das teilweise Abschmelzen von Eismassen steigt der Meeresspiegel erheblich (vermutlich bis zu einem Meter noch in diesem Jahrhundert; allein durch das Abschmelzen des Antarktiseises würde sich der Meeresspiegel um 70 m erhöhen). Riesige fruchtbare Tieflandbereiche würden unter dem Meeresspiegel liegen. Vegetationsverschiebung mit Vergrößerung der Wüstenzonen; Ausbreitung von Tropenkrankheiten; Überschwemmungen auch im Inlandbereich; Zunahme von verheerenden Stürmen; Vegetationsänderungen und Zunahme der Probleme von Wasserversorgung, Lawinenabgänge und Erdrutsche in den Alpen.

5 Rationelle Energienutzung
© J.Hartl Rationelle Energienutzung Zu hoher Energieverbrauch = Schaden für die Umwelt mit Gefährdung der Menschheit und ein Problem für die Volkswirtschaft Der derzeitige Primärenergieverbrauch Deutschlands liegt bei ca. 4 Milliarden Megawattstunden pro Jahr. Diese Energiemenge, in Heizöl EL umgerechnet und in Tankwagen a l abgefüllt, ergibt bei einer Längenzuteilung von 20 m je Tankwagen eine Konvoilänge von km, also 10 mal um die Erde. Der Endenergieverbrauch: 9,197 EJ (= 2,55 Mrd MWh/a = TWh/a) Der Primärenergieverbrauch im Inland 2003: 14,33 EJ (= 3,98 Mrd MWh/a bzw TWh/a) Der globale Primärenergieverbrauch wird derzeit zu ca 85,7 % mit den fossilen Energieträgern Kohle, Erdöl und Erdgas abgedeckt. Am Anfang des 19. Jahrhunderts wurden dagegen über 90 % mit Holz und anderer Biomasse gedeckt. Heizwert von 100 l Heizöl = 1 MWh; 3,98 Mrd MWh entspricht 398 Mrd l Heizöl = 19,9 Mio Tankwagen a l; HEIZÖL l 200 MWh HEIZÖL l 200 MWh Energieverbrauch Deutschland 3,98 Mrd MWh = 14,33 EJ (Weltweiter Verbrauch ca 116 Mrd MWh = 417,6 EJ )

6 Wirtschaftsförderung und Umweltentlastung durch rationelle Energienutzung und Biomassenutzung zur Strom- und Wärmeerzeugung . 1 TWh = 1 Mrd kWh = 1 Mio MWh Klimarelevante CO2-Emissionen : CO2 422 Mio t CO2 855 Mio t Mit Kernenergie (500 TWh) 422 Mio t Ohne Kernernergie 549 Mio t=64,2% 2003: Primärenergie 3980 TWh fossile E TWh Kernenergie 500 TWh Rationelle Energienutzung: Senkung des Nutzenergiebedarfs; Minderung der Umwandlungsverluste Primärenergie 2600 TWh fossile Energieträger: mit Kernenergie 1660 TWh ohne Kernen TWh + Vermehrte Nutzung von erneuerbaren Energien, besonders von Biomasse Erneuerbare Energien 440 TWh Anteil = 16,9 % -- überwiegend Bioenergie Erneuerbare Energien 116 TWh = 2,92 %

7 Mögliche Senkung des Primärenergieverbrauchs in Deutschland um ca 1400 TWh/a von derzeit ca TWh auf 2600 TWh durch rationelle Energienutzung: Nutzungsverhalten: Heizungsanlagenbedienung; Freizeitverhalten, Verkehrsmittelnutzung, Fahrweise mit PKW, Komfortansprüche, Konsumverhalten →Kauf von langlebigen hochwertigen Gütern statt „Wegwerfartikel“, Güterlogistik →Vermeidung von Gütertourismus, Verkehrsmittelwahl für Güter- und Personentransport, Beispiele: Flugzeug 40 bis 60 kWh/Person je 100 km; Bus ca 7 kWh; Mittelkl.Diesel-PKW mit 4 Personen 16 kWh/100 km je Person Senkung der Bedarfswerte: Altbausanierung z.B. Heizwärmeverbrauchssenkung von 200 kWh/m²a auf 80 kWh pro Jahr je m² Wohnfläche; PKW mit 3 bis 6 l Treibstoffverbrauch statt 8 bis 15 l; Senkung des Energieverbrauchs für die Güterproduktion Hohe Wirkungsgrade: Antriebe von Pumpen, Ventilatoren, Maschinen durch Motoren mit maximalen Wirkungsgrad, Drehzahlregelung, wenn möglich Stromrückspeisung bei Abbrems-vorgänge, Einsparpotential gegenüber herkömmlicher Technik 40 bis über 80 %; Wärmeerzeugung mit geringen Verlusten mit Brennwerttechnik; Energiesparende Beleuchtung durch Lampen mit hoher Lichtausbeute und hohen Leuchtenwirkungsgraden →Einsparung bei Sanierungsmaßnahmen 50 bis 70 %. Stromversorgung mit geringen Verlusten: Kraft-Wärme und Kraft-Wärme-Kältekopplung: Brennstoffzellentechnik, Gas- und Dampfturbinen-Technik GuD Energierückgewinnung: Wärmerückgewinnung für raumlufttechnische Anlagen mit Energieeinsparung bis über 90 %; Energierückgewinnung aus warmen Abwasser, aus gewerblichen und industriellen Fertigungsprozessen; ggf Einsatz von Wärmepumpen mit hoher Leistungszahl. Sonstige Maßnahmen: Regelungstechnik zur Energieoptimierung; Gebäudeleittechnik mit sachgemäßer Anwendung

8 Haushalt 1 → 94.270 kWh/a Haushalt 2 → 36.000 kWh/a
Beispiel Energieverbrauch im Haushalt Vergleich des Brennstoffenergieverbrauchs einschließlich Brennstoffenergieverbrauch zur Haushaltsstromer-zeugung und Urlaubsreise; Vergleich zweier Haushalte, je 4 Personen; Einfamilienhaus 150 m² Wohnfl. Gebäudeheizung Haus und Heizkessel Bj.1975; Wärmeverbrauch 140 kWh/m²; kWh; Brennstoff 2500 l Heizöl = kWh Haushalt 1 → kWh/a Haushalt 2 → kWh/a Warmwasser; Wärme: kWh; Brennstoff: kWh Auto km/a ohne Urlaubsreise; Benzin; Mittelklasse-PKW; 10 l/100 km; 1500 l/a;8,54 kWh/l; Brennstoff kWh Gebäudeheizung 90 kWh/m²; kWh; Brennstoff Erdgas oder Heizöl El; Brennwertnutzung; Brennstoff (Hu) = kWh Urlaubsreise; Fernreise mit Flugzeug km; Treibstoffverbrauch 4,6 l/(P *100 km); 9,6 kWh/l; l; Brennstoffenergie = kWh Gebäudeheizung Wärmeschutz gem. WSchV 94 (Neubau oder entsprechende Altbausanierung) Warmwasser Warmwasser; kWh; Brennstoff kWh (Brennwertnutzung) Auto; km/a; Diesel; 6 l/100 km; Mittelkl-PKW; 900 l; Brennstoff kWh Urlaubsreise mit PKW; 3000 km; 6,0 l/100 km; 180 l; kWh Stromverbrauch; 4500 kWh; Brennstoff kWh Urlaubsreise Stromverbrauch kWh Brennstoff kWh

9 Rationelle Energienutzung
Weltweiter Energieverbrauch, Stand 1999 Fossile Energieträger ca 89,8 % K Gesamtverbrauch 406,2 EJ=112,8 Mrd MWh (im Jahr 2004 etwa 118 Mrd MWh) Anteil Deutschland 3,92 Mrd MWh = 3,48 %; 47,8 MWh/Kopf Anteil USA 26,39 Mrd MWh = 23,4 %; 96,7 MWh/Kopf Anteil ges. Afrika 5,69 Mrd MWh = 5 %; 7,36 MWh/Kopf Anteil China 12,86 Mrd MWh = 11,4 %; 10,25 MWh/Kopf Kernenergie ca 6,6 % erneuerbare Energien ca 3,6 % Weltweite Energieverbrauchsbedingte CO2-Emission, Stand 2001 Millionen Tonnen Anteil Deutschland 914 Mio Tonnen = 3,68 % Anteil USA Mio Tonnen = 25,2 % Anteil ganz Afrika 837 Mio Tonnen = 3,37 % Anteil China Mio Tonnen = 11,5 % Stromverbrauch weltweit(1999): Mrd kWh Anteil Deutschland 551 Mrd kWh; kWh/Kopf Anteil USA Mrd kWh; ca kWh/K Anteil ganz Afrika 419 Mrd kWh; 542 kWh/Kopf Anteil China Mrd kWh; ca 1000 kWh/K

10 Rationelle Energienutzung © Hartl mögliche Szenarien des Energieverbrauchs in Deutschland
Derzeitige Situation (Stand 2003) Szenario 1 mit Verdoppelung der erneuerbaren Energien, Verringerung des Nutzenergieverbrauchs um 20 %; Minderung der Umwandlungsverluste z.B. durch vermehrte Kraft-Wärmekopplung; Antriebe mit hohen Wirkungsgraden u.a. Szenario 2; wie Szenario 1, jedoch ohne Kernenergienutzung Fossile Energieträger 3373 TWh 855 Mio t C02 = 100 % Kernen. 501 TWh E Nutzenergie ca 1300 TWh η ges ca 33 % Primärenergie 3990 TWh Erneuerbare Energien = 116,1 TWh; Anteil = 2,92 % Erneuerbare Energien, insbes. Biomasse 290 TWh; Anteil = 11,15 % (Weitere Erhöhung auf 400 TWh denkbar – damit Anteil = 15,4 %) Fossile Energieträger 1810 TWh ca 460 Mio t CO2 = 54 % Kernen. 500 TWh E Nutzenergie 1040 TWh ηges = 40 % Primärenergie 2600 TWh Erneuerbare Energien 290 TWh = 11,5 % (400 TWh = 15,4 %) Fossile Energieträger 2310 TWh ca 590 Mio t CO2 = 69 % E kWh = Kilowattstunde; MWh = Megawattstunde; GWh = Gigawattsunde; TWh = Terawattstunde 1 TWh = 1 Mio MWh = 1000 GWh; 1 MWh = 1000 kWh; Heizwert von 1 l Heizöl El = 10 kWh; Heizwert von 100 l Heizöl = 1 MWh Nutzenergie 1040 TWh ηges = 40 % Primärenergie 2600 TWh

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Rationelle Energienutzung = Sparsame Energieverwendung durch: Vermeiden von unnötigem Verbrauch: Zum Beispiel durch intelligentes und umweltbewusstes Nutzerverhalten: Heizungsbedienung, Gebäudelüftung, Komfortansprüche Konsumverhalten Güterlogistik Freizeitverhalten Verkehrsmitteleinsatz Fahrzeugfahrweise

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Sparsame Energienutzung durch: Senkung der spezifischen Nutzenergie-bedarfswerte: Zum Beispiel: Energiesparende Gebäudebauweise und Sanierung von Altbauten (Leistungsbedarf Heizung, Strom je m² Wohnfläche oder sonstiger Nutzfläche) Verkehrsmitteleinsatz (Energieverbrauch je Personen-km oder t-km bei Gütertransport -- je nach Verkehrsmittel extreme Unterschiede möglich) W/m²; kWh/m²Wfl kWh/P-km

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Sparsame Energieverwendung durch Zum Beispiel:  Hohe Wirkungsgrade für Antriebe von Fahrzeugen, Maschinen, z.B. EC-Motortechnik bei Elektromotoren bis ca. 4 kW Leistung, Dieselmotoren, Pumpen und Ventilatoren einschließlich Antriebsmotor  Drehzahlanpassung von Antriebsmotoren zur Anpassung an den jeweiligen momentanen Leistungsbedarf  Wärmeerzeugung z.B. mit Brennwerttechnik  Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad z.B. mit Brennstoffzellentechnik  Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kältekopplung; d.h. Stromerzeugung mit Abwärmeverwertung  Energiesparende Beleuchtung (hohe Lampenlichtausbeute und hohe Leuchtenwirkungsgrade) Hohe Wirkungs- und Nutzungsgrade η

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Sparsame Energienutzung durch: Energierückgewinnung – Abwärmeverwertung Zum Beispiel: Hochwirksame Wärmerückgewinnung für raumlufttechnische Anlagen (Wärme- und Kälterückgewinnung) Abgaswärmetauscher für Wärmeerzeuger möglichst mit Brennwerttechnik Wärmerückgewinnung aus warmen unverschmutztem oder leicht ver-schmutztem Abwasser (Hallen- u. Freibäder, physikalische Therapie) Abwärmenutzung von: Kälteanlagen, Drucklufterzeugung, Maschinen, medizintechnische Geräte, Wäschereimaschinen Abwärmenutzung und Wärmerückgewinnung bei industriellen Fertigungsprozessen Stromrückgewinnung z.B. bei Bremsvorgängen von Aufzugsanlagen

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Einsatz von erneuerbaren Energien Erneuerbare Energien können einen spürbaren Beitrag zur Bewältigung der ökologischen und ökonomischen Energieprobleme bringen -- allerdings nur, wenn die sonstigen Möglichkeiten der sparsamen Energienutzung ausgeschöpft werden (wie sparsamer Nutzenergieeinsatz, hohe Wirkungsgrade und Abwärmeverwertung). Das Potential an praktikabel nutzbaren erneuerbaren Energien ist beim derzeit sehr hohen und weltweit anwachsenden Verbrauch niedrig. Der Energie-deckungsanteil könnte aber bei sparsameren Energieeinsatz wesentlich erhöht werden. Ein bedeutendes Potential stellt die Nutzung von Biomasse in Form von Biogas, Brennholz und Pflanzenöl dar. Bei der aktiven Solar-energienutzung besteht das Problem der hohen Energiegestehungskosten durch hohe Anschaffungskosten bei relativ geringer Auswirkung auf die Gesamtenergieverbrauchsdeckung. Anteil in Deutschland 2003: 2,92 %; weltweit ca. 3,5 %. In Deutschland ist bei einer wesentlichen Senkung des Nutzenergieverbrauchs und der Energieumwandlungsverluste ein Anteil von bis zu etwa 20 % denkbar. Auch die Nutzung von erneuerbaren Energien ist mit Umweltproblemen verbunden, zum Beispiel Landschafts- und Ökologiebeeinträchtigung durch Wind- und Wasserkraftnutzung ! Die küstenferne Windenergie-nutzung hat sich bei näherer Betrachtung als uneffizient und umweltproblematisch herausgestellt (Nachteile außerdem durch zusätzliche Leistungsbereitstellung durch Kraftwerke mit Wirkungsgradauswirkung; Geräuschemission).

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Wirkungsgrade von Heizungsumwälzpumpen kleiner bis mittlerer Leistung Ungeregelte Nassläuferpumpe geregelte Nassläuferpumpe mit EC-Motor, geregelte Trockenläuferpumpe Stromleistungsbedarf = 50 %; Stromverbrauch gegenüber einer ungeregelten herkömmlichen Nassläuferpumpe etwa 20 bis 30 % η 7,5 mWS 4,5 mWS P1=0,25 kW 11 mWS P1 = 0,75 kW Wirkungsgrad in % 6 mWS P1 = 0,94 kW P1=0,5 kW 3 mWs 0,085 kW Förderleistung , , , ,6, , m³/h P = V * Δp = …. m³/s * …. kPa; in kW 1 mWS = 9,81 kPa P1 = P : (ηP * ηM) = elektrische Leistungsaufnahme

17 Rationelle Energienutzung © Hartl
Auswirkung der Fördermengenanpassung auf den Energiebedarf von Pumpen und Ventilatoren Die Strömungswiderstände ändern sich im Quadrat zur Fördermenge und der Leistungsbedarf ändert sich in der dritten Potenz Beispiel: Ausgangsbasis einer Umwälzpumpe 50 m³/h = 0,01389 m³/s ; H= 10 mWS = 98,1 kPa; P = 0,01389 * 98,1 = 1,362 kW ; ηges=50%; P1=2,724 kW ; Fördermenge 2= 45 m³/h = 90%; Fördermenge 3= 40 m³/h = 80 %; Fördermenge 4= 30 m³/h= 60%; Fördermenge 5= 25 m³/h = 50 % ; Fördermenge 6 = 15 m³/h = 30 % 100% P1 = 2,724 kW * 0,8³ = 1,395 kW 40 m³/h P1 = 2,724 kW * 0,6³ = 0,588 kW 30 m³/h Fördermengenminderung 75 % P1 = 2,724 kW * 0,5³ = 0,34 kW 25 m³/h P1 = 2,724 kW * 0,3³ = 0,074 kW 15 m³/h 50 m³/h; P1 = 2,724 kW P1 = 2,724 kW * 0,9³ = 1,658 kW = 61 % 45 m³/h; Fördermengen-minderung = 20% ergibt Minderung des Leistungsbedarfs von 51 % 1 2 3 4 5 6

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Auswirkung von Drehzahlreglung und Wirkungsgrad bei Heizungsumwälzpumpen und Ventilatoren in raumlufttechnischen Anlagen Bei der Wärmeverteilung von Anlagen zur Gebäudeheizung, Warmwasserversorgung und zur Lufterhitzerversorgung wird im durchschnittlichen Jahresbetrieb nur ein Teil der Auslegungsförderleistung benötigt (meist 60 bis 80 % und bei der Versorgung von Unterstationen oft unter 50 %) Bei raumlufttechnischen Anlagen wird in der Regel zur Erfüllung der Anforderungen meist nicht die volle Luftleistung benötigt (meist nur 50 bis 80 %) Da bei vermindertem Volumenstrom der Leistungsbedarf in der dritten Potenz abfällt wirkt sich eine geeignete Drehzahlanpassung auf den Stromverbrauch und auf die Betriebskosten erheblich aus Der Wirkungsgrad der Pumpe oder des Ventilators wirkt sich schon im Voll-Lastbetrieb aus Jahresstromverbrauch beim tatsächlichen durchschnittlichen Förderleistungsbedarf Elektr. Leistungsbedarf bei Voll-Lastbetrieb Minderung durch erhöhten Wirkungsgrad von Pumpe bzw Ventilator und Antrieb Minderung durch erhöhten Wirkungsgrad Zusätzliche Minderung durch verlustarme Drehzahlregelung zur Förderstromanpassung an der jew. Momentanbedarf

19 Rationelle Energienutzung © Hartl
Beispiel: Stromverbrauchsminderung durch Ventilatoraustausch bei einer raumlufttechnischen Anlage (Wirkungsgrad, Drehzahlregelung) Auslegungsluftleistung = 8000 m³/h; Strömungswiderstand = 1000 Pa; th. Leistungsbedarf P=V * Δp = 2,22 kW Der tatsächliche durchschn. Luftleistungsbedarf liegt bei 80 %; th. Leistungsbedarf = 2,22 * 0,8³=1,137 kW A herkömmliche Technik ohne Leistungsanpassung, rel. niedrige Wirkungsgrade, Keilriemenantrieb B energiesparsame Technik; direkt angetriebener Ventilator mit EC-Motor, Drehzahlregelung bei Voll-Last C energiesparende Technik im durchschnittlichen 80 %-Teil-Lastbetrieb Brennstoffenergieaufwand im EVU-Kraftwerk 5,31 kW 17,93 kW 10,83 kW 3,61 kW Verluste bei Stromerzeugung und Transport 12,19 kW 7,36 kW B C A Verluste durch Trafo und Hausleitung 0,087 kW 0,04 kW 0,28 kW Verluste durch Ventilator, Keilriementrieb, Motor 2,78 kW 1,16 kW 0,52 kW Theoretischer Leistungsbedarf P =V * Δp 2,22 kW 2,22 kW 1,14 kW

20 Rationelle Energienutzung © Hartl
Beispiel: Stromverbrauchsminderung durch Ventilatoraustausch bei einer raumlufttechnischen Anlage --- zusätzliche Energieverbrauchsminderung durch Minderung der Maximalförderleistung und durch BHKW-Technik A: Vor der Sanierung; B: Ventilator mit erhöhtem Wirkungsgrad von Ventilator und Antrieb sowie verlustarme Volumenstromanpassung durch stufenlose Drehzahlregelung; C: zusätzlich Änderung der Luftführung im Raum, dadurch Luftleistungsminderung um 15 % auf max m³/h; dadurch auch entspr. Leistungsbedarfsminderung im Teillastbetrieb P = 1,14 kW *0,85³ = 0,7 kW D: wie D jedoch zusätzlich Stromerzeugung mit BHKW mit Abwärmenutzung Brennstoffenergieeinsatz zur Stromerzeugung: BHKW-Einsatz: selbstverständlich nicht speziell zur Stromerzeugung für Ventilatorbetrieb. Beispielsweise Einsatz in Krankenhaus zur Teildeckung des Stromverbrauchs und voller Abwärmenutzung (im Sommer Betrieb einer Absorptions-Kältemaschine) A 17,93 kW 100 % Tatsächliche Nutzenergie 2,22 kW; 15,71 kW = Verluste auf dem Weg von der Primärenergie zur Nutzenergie 2 kW Genutzte Wärme bei BHKW-Betrieb C D 5,31 kW 29,6 % B 3,26 kW 18 % Vergleichbarer Energieaufwand = 1,26 kW = 7 % 2,22 kW P = 0,7 kW 1,14 kW 0,7 kW

21 Rationelle Energienutzung © Hartl
Brennstoff-Energieverbrauch zur Strom- und Wärmebereitstellung: = Energieverluste EVU-Kraftwerk und Stromtransport Heiz-kessel BHKW-Anlage BHKW-Anlage Brennstoff-zellentechnik Heiz-kessel Stromver-brauch Wärmever-brauch Stromver-brauch Wärmever-brauch Stromver-brauch Wärmever-brauch A Konventionelle Versorgung B Mit Kraft-Wärme-kopplung durch BHKW C Mit Kraft-Wärme-Kopplung künftige Technik mit erhöhtem Wirkungsgrad der Stromerzeugung B A Brennstoffverbrauch C

22 Rationelle Energienutzung © Hartl l
Beispiel: Sanierung eines Krankenhauses durch Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes, energetische Verbesserung der Raumlufttechnik und Wärme-verteilung und Neustrukturierung der Wärme-, Strom- und Klimakälteversorgung Verminderte Energieverluste Verminderter Bezug von Strom und Brennstoff Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Wärmerückge-winnung und Abwärmenutzung

23 Beispiel: Krankenhaus mit 500 Betten
Rationelle Energienutzung durch hochwirksame Wärmerückgewinnung für raumlufttechnische Anlagen und Zusatznutzung der Klimakälteanlage als Wärmepumpe – Überschusswärmenutzung aus Lüftungswärmerückgewinnung, Nutzung von Geräteabwärme (Gerätekühlung), Nutzung von Wärme aus gering- oder nicht verschmutztem warmen Abwasser . . Beispiel: Krankenhaus mit 500 Betten Gebäudeheizung: MWh/a Strom vom EVU: MWh/a Eigenstromerzeugung (BHKW): 0 MWh/a Wärmeverbrauch: MWh/a einschl. WW; Lüftung, Wirtsch.W Wärmerückgewinnung, Abwärmeverwertung: 50 MWh/a Brennstoffverbrauch EVU-Kraftwerk: MWh/a Brennstoffverbrauch im Krankenhaus: MWh/a Gesamtbrennstoffverbrauch: MWh/a Ausgangszustand Konventionelle Energieversorgung Gebäudeheizung: MWh/a Strom vom EVU: MWh/a Eigenstromerzeugung (BHKW): 0 MWh/a Wärmeverbrauch: MWh/a einschl. WW; Lüftung, Wirtsch.W Wärmerückgewinnung, Abwärmeverwertung: MWh/a Brennstoffverbrauch EVU-Kraftwerk: MWh/a Brennstoffverbrauch im Krankenhaus: MWh/a Gesamtbrennstoffverbrauch: MWh/a Sanierungsstufe 1 Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes, Stromsparmaßnahmen, Nachrüstung einer hochwirksamen Wärmerückgewinnung für die raumlufttechnischen Anlagen Gebäudeheizung: MWh/a Strom vom EVU: MWh/a Eigenstromerzeugung (BHKW): MWh/a Wärmeverbrauch: MWh/a einschl. WW; Lüftung, WiW Wärmerückgewinnung, Abwärmeverwertung: MWh/a Brennstoffverbrauch EVU-Kraftwerk: MWh/a Brennstoffverbrauch im Krankenhaus: MWh/a Gesamtbrennstoffverbrauch: MWh/a Sanierungsstufe 2 Neustrukturierung der Wärme-, Strom- und Klimakälteversorgung Kraft-Wärme-Kältekopplung Umfangreiche Abwärmeverwertung

24 Rationelle Energienutzung © Hartl
MWh/a Beispiel Energieverbrauch Krankenhaus mit 500 Betten Strom vom EVU

25 Energieverbrauch durch Urlaubsreise und Vergleich zum sonstigen Verbrauch für Heizung, Warmwasser, Autobetrieb (ohne Urlaubsreise) und Haushaltsstrom, Haushalt mit 4 Personen --- Anteiliger Energieverbrauch je Person . Gesamtverbrauch für 4 Personen kWh = 9700 kWh je Person bzw. entsprechend der Klimaschädigung kWh je Person durch 3-fache Schadwirkung (Einbringung der Abgase in besonders klimaempfindlichen unteren Stratosphärenbereich Gebäudeheizung: kWh kWh je Person Warmwasser: 875 kWh 650 kWh je Person durch Stromverbr kWh kWh je Person durch Autonutzung o.U kWh kWh je Person Gesamt für 4 Personen kWh kWh herkömmlich kWh je Person Energiesparsam 8.550 kWh je Person Gesamtverbrauch für 4 Personen 1800 kWh 450 kWh je Person Reise mit Diesel-PKW 6 l/100 km; km; z.B. Italienreise Energieverbrauch für Heizung, Warmwasser, Auto km /a und Stromverbrauch (Brennstoff-energieaufwand) Flugreise km; zB. USA-Reise

26 1 TWh=1 Mio MWh=3600 Terajoule
Rationelle Energienutzung © Hartl mögliche Szenarien des künftigen Energieverbrauchs in Bayern 1 TWh=1 Mio MWh=3600 Terajoule Situation Stand 2001 Fossile Energieträger 388 TWh 99 Mio t C02 = 100 % Kernenergie 154 TWh E Nutzenergie ca 192 TWh η ges ca 33 % Erneuerbare Energien 38,54 TWh; Anteil = 6,639 % Primärenergie 580,5 TWh Szenario 1: Minderung des Nutzenergieverbrauchs um 20 % z.B. durch energetische Altbausanierung; Stromsparmaßnahmen, Minderung der Umwandlungsverluste z.B. durch vermehrte Kraft-Wärme-Kopplung, Wärmepumpeneinsatz, Verdopplung der erneuerbaren Energien durch Bioenergienutzung Fossile Energieträger 208 TWh ca 53 Mio t CO2 = 54 % Kernenergie 100 TWh Erneuerbare Erneuerbare Energien, insbes. Biomasse 77 TWh; Anteil = 20 % (auch bis über 100 TWh denkbar) Nutzenergie 154 TWh ηges = 40 % Primärenergie 385 TWh Szenario 2: wie Szenario 1, jedoch Ersatz der Kernenergie durch fossile Energieträger Erneuerbare Energien 77 TWh Fossile Energieträger 308 TWh ca 78 Mio t CO2 = 79 % E kWh = Kilowattstunde; MWh = Megawattstunde; GWh = Gigawattsunde; TWh = Terawattstunde 1 TWh = 1 Mio MWh; 1 MWh = 1000 kWh; Heizwert von 1 l Heizöl El = 10 kWh; Heizwert von 100 l Heizöl = 1 MWh Nutzenergie 154 TWh ηges = 40 % Primärenergie 385 TWh

27 Maßnahmen zur energiesparenden Stromerzeugung:
Mögliche Stromverbrauchsminderung durch rationelle Energienutzung (Deutschland): Energiesparende Beleuchtung (Beleuchtungssanierung) 30 TWh Pumpen, Ventilatoren , höhere Wirkungsgrade und energiesparende Antriebstechnik TWh Energiesparende Antriebstechnik in der Gebäudetechnik z.B. Aufzüge, in der Industrie und Gewerbe, energiesp. Hauhaltsgeräte 30 TWh Druckluftanlagen (Sanierung) TWh Sonstige Möglichkeiten z.B. Auswirkungen von energetischer Gebäudesanierung (Wärmeschutz, Sonnenschutz, energiesparende Gebäudelüftung und Klimatisierung) TWh Maßnahmen gegen Stand-By-Verluste von Geräten 15 TWh Summe TWh Verbrauch 2003 ca 515 TWh; Senkung auf 390 TWh/a möglich – weitest- gehend im hochwirtschaftlichen Rahmen Maßnahmen zur energiesparenden Stromerzeugung: Verstärkte Abwärmenutzung bei der Stromerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung- Nutzung der Absorptionskältemaschinen bei Abwärmeverfügbarkeit zusätzlich als Wärmepumpe in der Übergangszeit und im Winter Einsatz von Stromerzeugungstechniken mit sehr hohem Wirkungsgrad z.B. Brennstoffzellentechnik (z.B. MTU-Hot-Module-Technik, oder Brennstoffzellen-Gasturinen-Hybridtechnik von Siemens-Westinghouse) Wirkungsgradverbesserung der noch benötigten Kohlekraftwerke.

28 Aufkommen und Verwendung von Strom in Deutschland 2003
Stromaufkommen: Kohlekraftwerke TWh= 50,6 % Erdgas und Heizöl TWh = 10,3 % Kernkraftwerke TWh = 28,3 % Sonstige Brennstoffe 20 TWh = 3,4 % Nutzwärme durch Kraft-Wärme-Kopplung ca 90 TWh; KWK-Strom ,5 TWh Steinkohle 360,5 TWh Braunkohle 428 TWh Heizöl 20,3 TWh Gase 142 TWh Kernenergie 500,6 TWh Übr.feste Br. 25,3 TWh Wasserkraft 23 TWh (21TWh) Windkraft 20 TWh (18,5TWh) Fotovoltaik 0,323 TWh Summe rd 1520 TWh Verluste bei der Stromerzeugung 858 TWh Aufkommen: 625 TWh; Bruttostromerzeug. 582 TWh; Einfuhr 43 TWh 582 TWh 43 TWh (Einfuhr) Verbrauch Inland 515 TWh Eisenschaffende Industrie 4,8 %, Chemie- und Mineralöl 11 %, übrige Industrie 32,1 %, Verkehr 31,8 %, öffentliche Einrichtunggen 8 %, Landwirtschaft 1,5 %, Haushalte 25,8 %, Handel und Gewerbe 13,7 % Eigenverbr. Kraftwerke 23,6 TWh Transportverluste ,8 TWh Ausfuhr TWh

29 Aufkommen und Verwendung von Strom in Deutschland – Szenario mit rationeller Energienutzung und vermehrtem Einsatz von erneuerbaren Energien Übrige Brennstoffe= Bioenergieträger Werte in Klammern bei Windkraft und Wasserkraft = Bruttostromerzeugung Senkung des Stromverbrauchs durch energiesparende Antriebstechniken für Maschinen, Pumpen, Ventilatoren usw., energiesparende Beleuchtung, energiesparende Haushaltsgeräte Stromerzeugung mit erhöhtem Wirkungsgrad Kraft-Wärme-Kopplung Energieeinsatz: Kohle 189,6 TWh Heizöl 15 TWh Gase 208 TWh Kernenergie 450 TWh Übr. Brenn. 240 TWh Wasserkraft 23 TWh (21TWh) Windkraft 24 TWh (22TWh) Fotovoltaik 0,4 TWh Summe rd 1150 TWh Verluste bei der Stromerzeugung 516 TWh Nutzwärme durch Kraft-Wärme-Kopplung ca 180 TWh Aufkommen = 495 TWh davon: Bruttostromerzeug. 450 TWh ; Einfuhr 45 TWh 454 TWh 45 TWh Einfuhr Verbrauch Inland 400 TWh Eigenverbr. Kraftwerke 18,7 TWh Transportverluste ,2 TWh Ausfuhr TWh

30 Hartl Energieeinsatz zur Stromerzeugung und Verwendung von Strom in Deutschland Stand 2003 1 TWh = 1 Milliarde kWh = 1 Million MWh Fossile Energieträger 950 TWh Kernenergie 500 TWh Eigenverbrauch Kraftwerke + Transport-verluste 54,9 TWh; Ausfuhr 45 TWh Einfuhr 43 TWh Bruttostromerzeugung 582 TWh Erneuerbare Energien 66 TWh Stromverbrauch Inland 515 TWh Nutzwärme aus KWK 80 TWh Szenario mit rationeller Energienutzung und vermehrtem Einsatz von erneuerbaren Energien Erneuerbare Energien 287 TWh Fossile Energieträger 413 TWh Kernenergie 450 TWh Eigenverbrauch Kraftwerke + Transportverlust 55 TWh; Ausfuhr 45 TWh Einfuhr 45 TWh Nutzwärme aus KWK (Kraft-Wärme-Kältekopplung) 180 TWh Bruttostromerzeugung 454 TWh Stromverbrauch Inland 400 TWh Szenario mit rationeller Energienutzung, vermehrter erneuerbarer Energieeinsatz und Entfall der Kernenergienutzung Erneuerbare Energien 300 TWh Fossile Energieträger 750 TWh Eigenverbrauch Kraftwerke + Transportverluste 47 TWh; Ausfuhr 45 TWh Einfuhr 45 TWh Nutzwärme aus KWK 200 TWh Bruttostromerzeugung 430 TWh Stromverbrauch Inland 380 TWh

31 Rationelle Energienutzung
J. Hartl Effizienz von Energiesparmaßnahmen Effizienz = Wirkung in Relation zum Kostenaufwand Sollwirkung von Sanierungsmaßnahmen und von besonderen Energie-sparmethoden beim Neubau: Wesentliche Verminderung des Strom- und Brennstoffverbrauchs, Betriebskostensenkung, Umweltschutz, Behaglichkeitsverbesserung, Betriebssicherheit, Wirtschaftlichkeit Wirkungsgrößenordnung: Energieeinsparung im Verhältnis zum bisherigen Verbrauch; Umweltentlastung und Betriebskosteneinsparung im Vergleich zu anderen möglichen Maßnahmen; Umweltentlastung z.B. Kohlendioxidemissionsminderung in kg/a und Vergleich zur bisherigen Emission Kostenaufwand: kapitalgebundene und betriebsgebundene Mehrkosten speziell für die Energieeinsparung oder je nach Effizienz Mehr- oder Minderkosten zur CO2-Minderung (CO2-Vermeidungskosten oder Minderkosten) Sinn und Erforderlichkeit der Effizienzfeststellung: Vermeidung von Maßnahmen, die mit hohem Kostenaufwand nur den „teuren Tropfen auf den heißen Stein“ darstellen; Erzielung einer möglichst hohen Umweltentlastung; Vermeidung von volkswirtschaftlichen und ökologischen Fehlentwicklungen; primäre Anwendung von wirtschaftlichen und ökoloisch hochwirksamen Methoden der Energieeinsparung.

32 Anschaffungskosten und Kapitaldienst
. Ökologische und ökonomische Effizienz von Energiesparmaßnahmen und verschiedenen Techniken der Energieversorgung Anschaffungskosten und Kapitaldienst Ökologische Bewertung: Energieverbrauch für Bereitstellung der Energieträger, und Herstellung der Anlagentechnik Rohstoffverbrauch mit Berücksichtigung der Reserven und Ressourcen Risikopotenzial: Versorgungssicherheit, Transportgefahr, Explosionsgefahr, Lagerung vor Ort, Arbeitsunfälle (z.B. bei Holzernte und Aufbereitung), mangelnde Betriebssicherheit durch unausgereifte Technik Toxizitätspotenzial: durch Zusammensetzung des Energieträgers, Abgasschadstoffe (CO, NOx, N2O, Feinstaub, Kohlenwasserstoffe) Emissionen mit Treibhauspotenzial, Ozonzerstörungspotenzial, Versauerungspotenzial Ökonomische Bewertung: Gesamtkostenaufwand (jährlich) = Kapitaldienst + Brennstoffkosten + Stromkosten + Instandhaltung + sonstige Kosten (besonderer Bedienungsaufwand, Kaminkehrer, technische Überwachung, Hilfsstoffe, Versicherung)

33 Rationelle Energienutzung – Problempunkt Flugverkehr
Noch vor 20 Jahren war der Flugverkehr bezüglich Energieverbrauch und Umweltbelastung im Vergleich zu den sonstigen Bereichen noch von geringer Bedeutung. Diese Situation hat sich durch den extremen Zuwachs des Flugverkehrs gewaltig verändert. Der Kersosinverbrauch stieg von ca 33 Mio t Treibstoff 1980 auf derzeit 205 Mio t und steigt bei gleich bleibender Weiterentwicklung auf etwa 600 Mi t in 20 Jahren. Durch das in Mode gekommene häufige Reisen mit dem Flugzeug verbrauchen bereits heute schon viele Bürger für das Fliegen mehr Energie als für Gebäudeheizung, Warmwasser, Strom und Auto zusammen. Der Energieverbrauch durch den Flugverkehr verursacht durch den Abgaseintrag in die oberen Schichten der Atmosphäre einen etwa 3-fachen Umweltschaden (Erderwärmung, Ozonabbau) gegenüber der Emission der gleichen Abgasmenge in Erdoberflächennähe. Das Ablassen von Treibstoff und die ungünstigen Bedingungen beim Start bringen außerdem auch im Bodenbereich sehr hohe Schadstoffbelastungen. Erschreckend ist auch das Anwachsen des Gütertransportes mit dem Flugzeug. Nur weil das Fliegen zu billig ist werden unnötig Transporte mit dem Flugzeug durchgeführt. Auch das unüberlegte Konsumverhalten trägt dazu bei. Man müsste wirklich nicht Früchte essen, die mit dem Flugzeug fast um den halben Erdball transportiert werden. Der vermeintlichen Gesundheit durch die Vitamine von frischem Tropenfrüchten stehen weitaus größere Gesundheitsgefährdungen durch den Lufttransport gegenüber. Was bringt die Energieeinsparung und Umweltentlastung z.B. durch energetische Gebäudesanierung, die derzeitige Feinstaubhysterie (angeblich Hauptverursacher Dieselmotoren) wenn gleichzeitig die sehr stark steigende Umweltbelastung und hohe Energieverbrauch durch den Flugverkehr vollkommen ignoriert wird ? Es ist unglaublich, dass ausgerechnet der besonders belastende Flugverkehr nicht mit Treibstoffsteuern und Mehrwertsteuer belastet wird, während Bahn und Busse belastet werden und ausgerechnet energiesparende Diesel-PKW mit höheren KFZ_Steuern als Benzin-PKW belastet werden. Die Diskussion der Feinstaubproblematik erscheint geradezu lächerlich angesichts der völligen Ignorierung des Problems Flugverkehr. Auch der stark steigende Energieverbrauch und Umweltbelastung durch den Straßenverkehr sollte beachtet werden. Ferner ist besonders der Übersee-Schiffsverkehr, der ebenfalls sehr zunimmt, bezüglich Schadstoffemissionen von zunehmender Bedeutung. Es wird als Treibstoff überwiegend hoch schwefelhaltiges Schweröl eingesetzt.

34 Rationelle Energienutzung
Sinnvolle Vorgehensweise für eine volkswirtschaftlich und ökologisch vorteilhafte Zukunftsentwicklung . 1. Nutzung der sofort wirksamen Energiesparmöglichkeiten ohne Investitionsaufwand z.B. geeignetes Nutzerverhalten, Konsumverhalten, Anlagenbedienung, keine überzogenen Komfortansprüche, Verkehrsmittelnutzung mit Ökologieberücksichtigung 2. Nutzung von hochwirtschaftlichen bis gerade noch wirtschaftlichen technischen Möglichkeiten der Energieeinsparung z.B. energetische Altbausanierung, Neubauten mit besonders niedrigem Energiebedarf, Einsatz von energiesparenden Antriebssystemen in der Gebäudetechnik und in der Industrie, energiesparende Beleuchtung, Abwärmeverwertung, Wärmerückgewinnung (besonders bei raumlufttechnischen Anlagen) 3. Energieerzeugung- und Verteilung mit geringen Verlusten und möglichst geringer Umweltbelastung: Brennwerttechnik für Erdgas- und Ölfeuerung, Einsatz von erneuerbaren Energien soweit ohne oder mit geringer Subvention Wirtschaftlichkeit gegeben, Modernisierung von Kraftwerken mit dem Ziel der Wirkungsgraderhöhung, Betriebssicherheitsverbesserung und Minderung von Schadstoffemissionen; Kraft-Wärme-Kopplung, Einsatz größerer Anlagen der Brennstoffzellentechnik besonders in Verbindung mit Kraft-Wärmekopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung - wobei die Absorptionskältemaschinen bei Verfügbarkeit von NT-Wärme von 10 bis 30 °C auch als Wärmepumpen einzusetzen sind; sonstiger Wärmepumpeneinsatz soweit energiewirtschaftlich effektiv; Wärmeverteilungstechnik mit möglichst mit niedrigen Temperaturen 4. Einsatz und Entwicklung von derzeit noch nicht wirtschaftlichen neuen Techniken und Nutzung von erneuerbaren Energien mit maßvoller Subventionierung, wobei die energiewirtschaftlich und ökologisch effektiveren Methoden bevorzugt werden sollten z.B. Biogastechnik, Pflanzenöleinsatz als Fahrzeugtreibstoff, Strom- und Wärmeerzeugung aus Bioenergie; aktive Sonnenenergienutzung für besondere Anwendung, Geothermie

35 Windenergie und Fotovoltaik, der richtige Weg zur energiewirt-schaftlich und ökologisch effektiven Stromversorgung ? Wir verunstalten weite Landschaftsbereiche mit tausenden von riesigen Windkraftanlagen und erzeugten im Jahr 2003 mit Anlagen gerade mal 3,2 % des Bruttostromanteils. Wir investieren Milliardenbeträge in die Fotovoltaik und erzeugten im Jahr 2003 nur 0,06 % des Stromverbrauchs. Die extreme Subventionierung geht überwiegend auf Kosten der Haushalte. Durch Windenergie wurden nur etwa 3 % des Stromverbrauchs abgedeckt. Gerade die Windenergie wirkt sich auf den Wirkungsgrad der Wärmekraftwerke aus und der zusätzliche Energiever-brauch zu Herstellung und Betrieb der Windenergieanlagen ist zu bedenken. Die Verteilungs-verluste können nicht vernachlässigt werden. Es ist somit sehr fraglich inwieweit Windenergieanlagen im windschwächeren küstenfernen Bereichen überhaupt einen Beitrag zum Klimaschutz erbringen. Wegen der Unregelmäßigkeit des Windanfalls können anderweitige Kraftwerke nicht eingespart werden. Andererseits wird das sehr hohe Potential zur Stromverbrauchsminderung im wirtschaftlichen Rahmen fast nicht genutzt! Größenordnung 25 bis 30 % des derzeitigen Stromverbrauchs. Die konsequente Anwendung von energiesparenden Techniken und die energetische Sanierung von Anlagen in der Gebäudetechnik, Gewerbe und Industrie würde mehr Arbeitsplätze schaffen als die Produktion von Windenergieanlagen und Fotovoltaikanlagen. Stromsparbeispiele: energiesparende Beleuchtung, energiesparenden Antriebstechniken in der Industrie, Gewerbe und Gebäudetechnik, drastische Minderung der Stand-by-Verluste Bei den wirtschaftlichen Stromsparmaßnahmen ergeben sich zur Vermeidung von klimarelevanten CO2-Emissionen Minderkosten, während die Windenergienutzung und besonders die Fotovoltaik sehr hohe Vermeidungskosten erbringen. Eine gewisse, allerdings maßvolle Subventionierung der Windenergienutzung und Fotovoltaik erscheint trotzdem vertretbar und sinnvoll, da diese Techniken für Bereiche mit besserer Anwendung exportiert werden könnten z.B. in Länder der sog. Dritten Welt und Windenergie für Standorte mit dauernd sehr hohen Windgeschwindigkeiten (gewisse Küstenabschnitte in der ganzen Welt und für den Offshorebereich).