Energie-Reporter Jonathan Krause in den USA

Die USA ist das drittgrößte Land der Erde und deckt daher unterschiedlichste Klimazonen ab. Vom Hochgebirge in den Rocky Mountains über die Wüsten in Arizona bis hin zum subtropischen Sumpfland in Florida, variiert das Wetter stark. Für eine angenehme Wohntemperatur werden in 88% der Haushalte Air-Conditioning (AC) eingesetzt, die ein Haus kühlen als auch heizen können. 6% der elektrischen Energie in den USA werden von ACs, im deutschen Klimaanlagen, verbraucht und tragen mit 117 Millionen Tonnen CO₂ [1] zum Klimawandel bei. In diesem Beitrag möchte ich der Frage nachgehen, ob diese Art der Temperierung effizient ist und wie ein klimafreundliches System in den USA aussehen könnte.

Zahlen und Fakten

Eine Klimaanlage ist im wesentlichen nichts anderes als eine rückwärtslaufende Wärmepumpe. Ihre Effizienz kann von 100% (EER = 1.0), bspw. beim Heizen als Tauchsieder, bis ca. 350% (EER = 3.5) beim Betrieb als Wärmepumpe liegen [2]. Der Effizienzgrad der auch Energy Efficiency Ratio (EER) genannt wird, hängt stark von der Außentemperatur und dem Gerät ab. In neu gebauten Häusern werden überwiegend Central AC verwendet, die beim Hausbau fest in eingeplant sind und das gesamte Haus temperieren. Ältere Häuser haben meistens eine nachgerüstete Klimaanlage, die man Individual AC nennt. Diese kühlen und heizen meist nur einen Teil des Hauses und sind in eher kleineren Raumvolumen zu finden. Bei beiden Varianten ist ein Teil der AC in der Wohnung und bläst die temperierte Luft hinein. Den zweiten Teil findet man im Hinterhof oder der Außenwand eines amerikanischen Hauses (Abbildung 1) und beinhaltet den Kompressor, einen Lüfter und einen Wärmetauscher.

In wärmeren Gebieten ist der Energie Bedarf für AC deutlich höher als in kalten Regionen, die ihre Klimaanlage meist nur im Sommer verwenden und im Winter auf eine Gas-, Holz- oder Elektroheizung umsteigen. Dies spiegelt sich vor allem in den Stromkosten wider. Im Durchschnitt bezahlen Amerikaner 265$ (Stand 2015 [3]) pro Jahr für Strom für Klimaanlagen. Dies entspricht 12% der jährlichen Energiekosten. Dieser Wert schwankt jedoch je nach Klimaregion in den USA, wie der Abbildung 2 entnommen werden kann.

In subtropischen Gebieten können die Energiekosten auf bis zu 525$ ansteigen, was 27% der jährlichen Energiekosten entspricht [3]. Dies gleicht sich wieder aus, wenn man berücksichtigt, dass kältere Regionen deutlich mehr Energie zum Heizen benötigen.

Auch eine PV-Anlage auf dem Dach kann im sonnenreichen Süden viel Energie bereitstellen, wenn sie im heißen Sommer gebraucht wird. In kalten Regionen liefert eine eigene PV-Anlage im Winter meist nicht genug Energie, um das Haus zu heizen.

Die Zukunft des AC

Eine Wärmepumpe an sich stößt keine Treibhausgase aus – jedoch die konventionellen Kraftwerke, die den Strom für die Anlagen bereitstellen. Würden die USA 100% Erneuerbare Energien (EE) haben, so wäre auch das Kühlen und Heizen mit den Klimaanlagen umweltfreundlich. Aktuell werden 21,5% der Sekundärenergie aus erneuerbaren Quellen gewonnen und 18,2% aus Kernkraftwerken. Die verbliebenen 60,3% sind verantwortlich für die hohen CO₂ Emissionen durch Klimaanlagen [4]. In vielen kälteren Staaten wird zusätzlich noch günstiges Fracking-Erdgas zum Heizen verwendet. In einem Report aus dem Jahr 2020 [Studie 1] kamen die Forscher zu dem Ergebnis, dass eine Umstellung auf Wärmepumpen zwischen 10-30% an CO₂ einsparen könnte. Dieses Ergebnis beschränkt sich jedoch nur auf bestimmte Staaten in den USA. Würden jedoch viele Haushalte auf Wärmepumpen ganzjährlich umsteigen, so würde dies die Netze stark belasten.

Um die Netze zu schonen und die aktuell begrenzte Grüne Energie nicht zu verschwenden, sollte der Verbrauch geringgehalten werden. Dies ist in den USA vor allem durch eine bessere Dämmung zu erreichen. Viele Wände sind aus dünnen OSB-Platten mit einer minimalen Isolierung dazwischen, die zusätzlich dunkle Farbtöne an der Fassade aufweisen [5]. Auch sind viele Dächer in den USA aus dunklen Bitumenschindeln, die die Umgebung und das wenig gedämmte Dach noch zusätzlich aufheizen. Weiße Häuser im Südosten der USA wären sinnvoll, um den Albedo Effekt ausnutzen zu können [6]. Das größte Potential liegt jedoch bei den einfach verglasten Fenstern von alten Gebäuden. Diese entsprechen oft nicht dem deutschen Energie Standard [7]. Auf einem Roadtrip in den USA bemerkte ich selbst, dass die häufig verbauten Schiebefenster oft einen Luftspalt aufweisen, durch den Luft von außen eindringt. Generell lässt sich beobachten, dass günstig gebaute Häuser schlechte Dämmeigenschaften besitzen. Diese Art der Fenster haben noch einen zweiten Nachteil: das Betriebsgeräusch des Lüfters für die Klimaanlagen, welcher oft an der Fassade angebracht ist, kann man im Zimmer deutlich wahrnehmen.

Zusammenfassung

Für eine nachhaltigere Zukunft ist entscheidend, dass Klimaanlagen mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden. Idealerweise kommt die benötigte Energie von der eigenen PV-Anlage auf dem Dach. Grundsätzlich müssen Häuser in den USA besser gedämmt und Fenster abgedichtet werden. Beim Heizen hat die USA noch einen langen weg vor sich, um vom Erdgas wegzukommen. Die schon weit verbreitet Wärmepumpe wird in einigen Regionen eine zentrale Rolle spielen.

Quellen

[1] Air Conditioning | Department of Energy

[2] Energy Efficiency of Air Conditioners – Explained (mclaircon.com)

[3] Air conditioning accounts for about 12% of U.S. home energy expenditures – U.S. Energy Information Administration (EIA)

[4] Electricity in the U.S. – U.S. Energy Information Administration (EIA)

[5] Types of Insulation | Department of Energy

[6] Weiße Klimaschutz-Dächer reflektieren Wärme zurück ins All – Innovations Report (innovations-report.de)

[7] Reduce Your Heating Bills with Better Insulation | Department of Energy

[Studie 1] GHG-Emissions-from-Residential-Heating-Technologies-091520.pdf (ucdavis.edu)

Der Ausbau an Windkraftanlagen im Südosten der USA ist bis heute fast gar nicht erfolgt. Im vorangegangenen Video wurde deutlich, dass das Windpotential im Südosten deutlich niedriger ist und deshalb weniger Anlagen installiert wurden[1].Jedoch bremsen auch andere Faktoren den Ausbau, welche im Folgenden beleuchtet werden. Vor allem die finanziellen, umwelttechnischen und politischen Aspekte stehen dabei im Vordergrund.

Finanzielle Hürden im Windausbau
Um im Südosten der USA mit einem Windrad verlässliche und hohe Ausbeuten an Energie zu erzielen, muss die Nabenhöhe höher sein als bei Anlagen in Texas. Der daraus resultierende höhere Turm verursacht hohe Kosten, die die typischen $1,3 Million/ MW übersteigen [2][3]. Der Transport, das Genehmigungsverfahren und die Akzeptanz der Bevölkerung werden durch höhere Anlagen zudem negativ beeinflusst. Zusätzliche Kostentreiber sind die aktuell hohen Rohstoffpreise, die einen Preisanstieg um 38% bei Windkraftanlagen (WKA) zur Folge haben [4]. Die Anlagen können daher nicht mehr mit den billigen fossilen Energieträgern im Südosten konkurrieren.
Im Südosten der USA gibt es aber auch Vorteile für Investoren: Firmen, die Windkraftanlagen (WKA) produzieren, haben bereits Niederlassungen in der Region. Zusätzlich gibt es im Südosten überwiegend „unprotected land“, bei dem geringere Vorschriften und Regelungen gelten. Außerdem muss man beachten, dass der überwiegende Teil der Bevölkerung nicht in den Great Plains lebt, wo die meisten Onshore Anlagen stehen. Jedoch um die Energie in den dicht besiedelten Osten zu transportieren, bedarf es zahlreicher Trassen. Solche Trassen im Hochspannungsbereich (über 138kV in den USA) sind mit $ 225.000 pro Kilometer zu taxieren. Eine Trasse, die eine Windfarm in Texas mit der Stadt Charlotte, North Carolina verbindet, würde so über $1 Milliarde kosten [5]. Diese Kosten könnte man einsparen, wenn die Anlagen im Südosten gebaut werden. Ein Windpark im Südosten kann sich somit mehr lohnen als ein Windpark in Texas. Die windreichsten Standorte im Südosten findet man entlang der Küste. Jedoch kosten Offshore Anlagen das 10-fache von Onshore Anlagen, weshalb bis jetzt fast keine Offshore Anlagen realisiert wurden [2]. In der Offshore Industrie war zudem lange Zeit die Hafeninfrastruktur der Flaschenhals im Windkraftausbau. Die aktuelle Regierung plant nun Investitionen von $1 Milliarde in die Hafeninfrastruktur und Subventionen von $3 Milliarden für die Offshore-Industrie [6]. Ob diese Investitionen ausreichen, um die Industrie, welche bis jetzt erst 7 Windkraft-Anlagen gebaut hat, anzukurbeln, bleibt offen.

Umwelttechnische Bedenken
Der Bau von Windkraftanlagen hat immer einen Einfluss auf die Natur. In den Süd-Ost-Staaten finden sich vor allem wichtige Zugvögel Routen gen Süden. Um Kollisionen mit den Tieren zu vermeiden, gibt es bereits Lösungsansätze, wie z.B. die Rotorblätter schwarz zu färben [7] oder während der Vogelwanderung die Anlagen abzuschalten. Offshore Anlagen stören bereits beim Bau viele Meeressäuger, die zahlreich in der Region vertreten sind. Nach den Bauarbeiten bilden sich am Fundament der WKA häufig künstliche Riffe, die wiederum einen positiven Einfluss auf das Ökosystem haben [8]. Immer wiederkehrende Behauptungen in den USA, dass Wale aufgrund von WKA an der Ostküste stranden, kann wissenschaftlich nicht bestätigt werden [9]. Um es einzuordnen: Großbritannien mit seinen 2378 Offshore Anlagen (USA hat 7 Offshore Anlagen) hat ähnlich viele Strandungen von Walen pro Jahr. Diese Behauptungen entspringen einer geplanten Kampagne von Windkraftgegnern, die auch für den langsamen Ausbau verantwortlich sind [10].

Fakenews – der politische Einfluss auf den Windausbau

Die Politik der USA wird von zwei großen Parteien dominiert: Demokraten und Republikanern. Die Demokraten sind einer Umfrage aus dem Jahr 2021 überwiegend positiv eingestellt gegenüber dem Windkraftausbau.

Bei den Republikanern sinkt die Zustimmung seit einigen Jahren (Abbildung 1) [11]. Sie sehen die Windkraft, laut dem PEW Research Center, als nicht verlässlich und zu teuer an. In der Debatte spielen auch gezielte Falschinformationen (Fake News) eine wichtige Rolle. Der ehemalige Präsident Donald Trump fiel beispielsweise immer wieder mit seinen nicht wissenschaftlich belegbaren Aussagen über die Windenergie auf [12]. Viele Amerikaner glauben seinen Thesen und eine Lobby der NIBY (Not In My Back Yard) und Windkraftgegner erhielten großen Zulauf. Diese, von der fossilen Industrie finanzierten Gruppierungen, klagen gegen die Errichtung neuer Windparks und verzögern so die Genehmigungen [13]. Außerdem werden zu den bestehenden bürokratischen Hürden noch zusätzlich neue Auflagen für die Errichtung von WKA erlassen. Diese können von jedem einzelnen Governors erlassen werden und rücken das nationale Ausbauziel in weite Ferne [1]. Trotz all dieser Hürden stieg der Ausbau der Windkraft in den letzten Jahren kontinuierlich an. Aktuell sind 16 Windfarmen mit bis zu 98 Turbinen pro Farm in der Planung. 45 dieser Turbinen werden auch im Südosten, in Chowan County, entstehen [14].