Häufig stellt sich die Frage, welche CO2-Emissionen mit dem Stromverbrauch verbunden sind. Es ist üblich, die durchschnittlichen Emissionen eines Landes in einem Jahr anzugeben. Tatsächlich müssen aber die Grenzemissionen des zuletzt zum Einsatz kommenden Kraftwerks unter Berücksichtigung des Verbrauchsprofils betrachtet werden, um eine Entscheidungsgrundlage für den Einsatz einer Stromverbrauchstechnologie zu erhalten.
Fossile Kraftwerke erzeugen durch Verbrennung CO2. Diese Mengen sind aus Brennstoff und Wirkungsgrad des Kraftwerks recht gut berechenbar. Daneben gibt es bei allen Erzeugungstechnologien vorgelagerte Emissionen, die aus der Herstellung der Anlagen und Brennstoffe entstehen. Hier ist die Berechnung eher diffus. Wir beschränken uns deswegen auf die direkten Verbrennungsemissionen.
Es finden sich für die Hauptbrennstoffe bei Kraftwerken folgende CO2-Emissionen bezogen auf den Energieinhalt (unterer Heizwert):
Braunkohle: 0,4039 t/MWh
Steinkohle: 0,3372 t/MWh
Erdgas: 0,2016 t/MWh
Die Betriebswirkungsgrade der Kraftwerke zeigen je nach Alter eine gewisse Bandbreite. Zudem verursachen Teillastbetrieb und Lastwechsel Verluste im Vergleich zum nominellen Wirkungsgrad. Wir gehen von folgenden CO2-Emissionen bezogen auf die erzeugte Strommenge aus:
Braunkohle: 1,01 t/MWh
Steinkohle: 0,80 t/MWh
Erdgas: 0,37 t/MWh
Wenn bekannt ist, welche Energieträger wieviel Strom in einer Stunde erzeugt haben, lassen sich die durchschnittlichen Emissionen für diese Stunde berechnen. In der folgenden Stunde ergeben sich andere Werte. In Zeiten mit regenerativen Stromüberschüssen ergibt sich ein Wert nahe bei Null. Folgende Abbildungen zeigen exemplarisch die für die Stromerzeugung eingesetzen Energieträger für einen Sommertag und einen Wintertag:
Um die durchschnittlichen Emissionen eines Jahres zu berechnen, müssen die einzelnen Stundenwerte mit dem Lieferprofil gewichtet werden. Die öffentlichen Werte für den deutschen Strommix sind mit dem Lieferprofil des gesamten Stromverbrauchs gewichtet. Die Emissionen für bestimmte Verbrauchsarten wie Wärmepumpen können davon deutlich abweichen.
Allerdings ist der Ansatz mit den durchschnittlichen Emissionen pro Stunde grundsätzlich ungeeignet, wenn es darum geht, welche CO2-Emissionen mit zusätzlichem Stromverbrauch verbunden sind. Emissionen, die durch einen geringfügig steigenden oder sinkenden Stromverbrauch entstehen, sind die Grenzemissionen. Das Phänomen ist aus dem Merit-Order-Prinzip im Spotmarkt bekannt. Nicht die Durchschnittskosten aller Kraftwerke in einer Stunde, sondern die Kosten des Grenzkraftwerkes, also desjenigen, das zur Lastdeckung gerade noch erforderlich ist, sind für die Preisbildung maßgeblich.
Bei der Frage, wieviel von einer Gehaltserhöhung übrig bleibt, kommt es auch nicht auf den durchschnittlichen Steuersatz an, sondern auf den viel höheren Grenzsteuersatz.
Es muss somit zunächst ermittelt werden, welcher Brennstoff in der betreffenden Stunde als teuerster zum Einsatz gekommen ist. Das ändert sich nicht nur je nach Verbrauch und regenerativer Stromerzeugung, sondern auch abhängig von Brennstoff- und CO2-Preisen. Während zum Beispiel im Frühling 2024 Erdgaskraftwerke leicht kostengünstiger als Kohlekraftwerke Strom erzeugten, ist das wegen gestiegener Gaspreise derzeit nicht so. Am 14. Juli herrschte zwischen der 7. und 18. Lieferstunde Stromüberschuss. Die Netzstabilität erforderte trotzdem den Betrieb einiger fossiler Kraftwerke. Diese bleiben bei der Berechnung der Grenzemissionen unberücksichtigt, denn auch bei noch etwas niedrigerem Stromverbrauch würden diese Kraftwerke laufen.
In der folgenden Darstellung sind die durchschnittlichen Emissionen und Grenzemissionen für obige Beispieltage einander gegenübergestellt. Erwartungsgemäß sind die durchschnittlichen Emissionen an dem Wintertag höher als im Sommer. Die Grenzemissionen hingegen hängen an dem Sommertag von der Lieferstunde ab. Nachts werden Braunkohlekraftwerke hochgefahren. Bei beiden Herangehensweisen ist nur eine ex post-Betrachtung möglich.
In der politischen Diskussion ist es üblich, die CO2-Emssionen, die mit dem Verbrauch von Strom verbunden sind, schlichtweg zu definieren, anstatt einen kausalen Zusammenhang zwischen Emissionen und Stromverbrauch zu ermitteln. So ist Strom für Batterieautos grundsätzlich 100% emissionsfrei. Strom für grünen Wasserstoff hingegen ist es nur unter sehr strengen Bedingungen. Durch den Kauf von billigen Herkunftsnachweisen (HKN) lassen sich die Emissionen wie von Zauberhand auf Null reduzieren. Das ermöglicht es Unternehmen, sich und ihre Produkte für CO2-neutral zu erklären, und der Politik, erwünschte Produkte und Technologien schön zu rechnen.
In der Wissenschaft wird häufig der Mittelwert des Strommixes verwendet. Das führt regelmäßig zu falschen Ergebnissen. “Richtige” Ergebnisse zeigen für die Zukunft eine so große Bandbreite, dass am Ende keine belastbare Aussage über die künftig zu erwartenden Emissionen durch zusätzlichen Stromverbrauch zu erhalten ist.
