Der Erntefaktor (, ERoEI, manchmal auch EROI) beschreibt das Verhältnis der im Verlaufe der Lebensdauer eines Kraftwerks insgesamt erzeugten Energie zur eingesetzten Energie – also einschließlich der zur Herstellung, Entsorgung und anderen Zwecken aufgewendeten grauen Energie. Er beantwortet also die Frage: „Wie oft bekommt man die hineingesteckte Energie wieder heraus?“
Die Kennzahl kann auch auf die Betrachtung einzelner Energieträger oder Energiebilanzen ganzer Gesellschaften angewendet werden.
Mathematische Beschreibung Der Erntefaktor beschreibt das Verhältnis der genutzten Energie zur investierten Energie . Im Falle von Kraftwerken ist meist Elektrizität (allgemein Exergie), während die im Anlagenlebenszyklus aufgewandte „Graue Energie“ beschreibt, die im Idealfall auch als Exergie angegeben werden sollte. wird auch als kumulierter Energieaufwand bezeichnet
Je höher dieser Wert, desto effizienter ist die Energiequelle. Werte über Eins bedeuten dabei eine positive Gesamtenergiebilanz.
Der kumulierte Energieaufwand setzt sich zusammen aus einem festen Anteil (Anlagenbau, Abbau u. a.) und einem variablen Teil (Wartung, Brennstoffbeschaffung), der mit der Zeit zunimmt:
Die genutzte Energie nach einer Zeit berechnet sich aus der mittleren Nettoleistung zu
Der Erntefaktor für eine Anlage mit der Lebensdauer wäre demnach
Die Lebensdauer ist also eine entscheidende Komponente für den Erntefaktor.
Energetische Amortisationszeit Die energetische Amortisationszeit ist diejenige Zeit, bei der der kumulierte Energieaufwand gleich der genutzten Energie ist, also . Daraus ergibt sich
Im Gegensatz zum Erntefaktor sagt die energetische Amortisationszeit wenig über die gesamte Effizienz eines Kraftwerks aus, da sie nicht die Lebensdauer enthält. Z. B. kann der Energieaufwand für die Brennstoffbeschaffung sehr hoch oder die Lebensdauer der Anlage nicht viel größer als die Amortisationszeit sein.
Primärenergetisch bewertete(r) Erntefaktor / Amortisationszeit In einer abweichenden Definition wird die genutzte Energie in diejenige Primärenergie umgerechnet, die ein hypothetisches Kraftwerk zur Bereitstellung der gleichen elektrischen Energie benötigen würde. Dabei geht man von einem festen Wirkungsgrad dieses hypothetischen Kraftwerks aus, der üblicherweise mit =34 % veranschlagt wird. Die genutzte Energie wird also ersetzt durch . Zur Unterscheidung vom Erntefaktor sei dieser „primärenergetisch bewertete“ Erntefaktor hier mit bezeichnet. Der Zusammenhang mit dem Erntefaktor ist dann
.
Er beantwortet also die Frage „Wie viel mehr Elektrizität erhält man, wenn der Primärbrennstoff in Bau, Betrieb, Nutzung und Brennstoffbeschaffung dieses Kraftwerks gesteckt wird, anstatt in einem bereits bestehenden Kraftwerk mit 34 % Wirkungsgrad in Elektrizität gewandelt zu werden“.
Der energetischen Amortisationszeit entspricht hier die „primärenergetisch bewertete Amortisationszeit“ . Der Zusammenhang zwischen beiden Größen ist:
.
Zur Umrechnung in die energetische Amortisationszeit benötigt man also die Angabe des relativen Nutzungsaufwands .
Man beachte, dass in einigen deutschsprachigen Veröffentlichungen schlicht als „Erntefaktor“ und als „Amortisationszeit“ bezeichnet wird. Dies entspricht aber nicht der in der FachliteraturKarl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau. 22. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-49714-1, Kapitel L2. üblichen Definition und der internationalen Definition des (ERoEI). Auch wird hier nicht mehr der Output („Ernte“) mit Input („Saat“) verglichen, sondern ein hypothetischer Input mit einem tatsächlichen Input. Es handelt sich also um einen „Ersetzungsfaktor“.
Näherung für kleinen Wartungs- und Brennstoffbeschaffungsaufwand Ist der Wartungs- und Brennstoffbeschaffungsaufwand klein gegenüber den Fixkosten, , und klein gegenüber der bereitgestellten Energie, , so vereinfacht sich der Erntefaktor zu und die Amortisationszeit zu . Beide Größen sind dann über die einfache Beziehung . miteinander verknüpft.
Erntefaktoren und Amortisationszeiten einiger Kraftwerkstypen mini|Klippe der nutzbaren Nettoenergie bei abnehmendem Erntefaktor (Energieklippe, engl. Energy Cliff bzw. Energy Return on Energy Invested) Die nachfolgende Tabelle ist eine Zusammenstellung aus Quellen unterschiedlicher Qualität. Mindestanforderung ist dabei eine Aufschlüsselung des kumulierten Energieaufwands nach Materialdaten. Häufig findet man Sammlungen von Erntefaktoren, die die Herkunft der Werte nicht transparent belegen. Diese sind nicht in dieser Tabelle aufgenommen.
Die fettgedruckten Zahlen sind die in der jeweiligen Literaturquelle angegebenen, die normal gedruckten die daraus abgeleiteten (s. Mathematische Beschreibung).
Typ Erntefaktor Amortisationszeit Primärenergetisch bewertete(r) Erntefaktor Amortisationszeit Kernenergie Druckwasserreaktor, 100 % ZentrifugenanreicherungD. Weißbach et al. (2013): Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants. Energy, Band 52, S. 210 ff. 106 2 Monate 315 17 Tage Druckwasserreaktor, 83 % Zentrifugenanreicherung 75 2 Monate 220 17 Tage Fossile Energie Braunkohle, Tagebau 31 2 Monate 90 23 Tage Steinkohle, Untertagebau ohne Kohletransport 29 2 Monate 84 19 Tage Gaskraftwerk (GuD), Erdgas 28 9 Tage 81 3 Tage Gaskraftwerk (GuD), Biogas 3,5 12 Tage 10 3 Tage Wasserkraft Laufwasserkraftwerk 50 1 Jahr 150 8 Monate Solarthermie Wüste, Parabolrinnen + Phenylverbindungen-Medium 21 1,1 Jahre 62 4 Monate Windenergie 1,5-MW (E-66), 2000 VLh (deutsche Küste) 16 1,2 Jahre 48 5 Monate 1,5-MW (E-66), 2700 VLh (deutsche Küste, Strand)E. Pick, Hermann-Josef Wagner: Beitrag zum kumulierten Energieaufwand ausgewählter Windenergiekonverter. Arbeitsbericht des Instituts für ökologisch verträgliche Energiewirtschaft, Universität Essen, 1998. 21 0,9 Jahre 63 3,7 Monate 2,3-MW (E-82), 3200 VLh (deutsche Küste, Strand). In: vdi Nachrichten. 2. September 2011. Abgerufen am 17. September 2011. (PDF; 1,2 MB). Internetseite von Enercon. Abgerufen am 10. Januar 2012. 51 4,7 Monate 150 1,6 Monate 200-MW-Park (5-MW-Anlagen), 4400 VLh (offshore)Rodoula Tryfonidou, Hermann-Josef Wagner: Offshore-Windkraft – Technikauswahl und aggregierte Ergebnisdarstellung. (, PDF-Datei, 109 kB) Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität, Bochum 2004. 16 1,2 Jahre 48 5 Monate4,2-MW (V150-4,2), Schwachwindstandort 31 7,6 Monate Photovoltaik Poly-Silizium, Dachinstallation, 1000 VLh (Süddeutschland) 4,0 6 Jahre 12 2,0 Jahre Poly-Silizium, Dachinstallation, 1800 VLh (Südeuropa)Mariska de Wild-Scholten: Environmental profile of PV mass production: globalization. (PDF; 1,7 MB) 2011. 7,0 3,3 Jahre 21 1,1 JahreDeutschland, 800–1200 VLH14–330,9–2,1 Jahre
Bewertung von Ölfeldern Der Erntefaktor ist für die Beurteilung der Ölvorkommen von großer Bedeutung. Während in den 1970ern bei der Erdölförderung noch hohe Werte von durchschnittlich 40 erreicht werden konnten, sind diese wegen der schwierigeren Erschließung heutzutage deutlich gesunken. Insbesondere Ölsande und Ölschiefer weisen sehr geringe Erntefaktoren auf. Da der Erntefaktor nur das Verhältnis von aufgewendeter zu gewonnener Energie betrachtet, bleiben die ökologischen Folgen der Ölförderung beispielsweise durch Abfackelung der Begleitgase unbetrachtet.
Ermittlung des Erntefaktors bei Kraftwerken Teilweise wird für fossile Kraftwerke definitionsgemäß neben dem energetischen Aufwand für die Errichtung und Betrieb des Kraftwerks auch der eingesetzte Brennstoff mit in die Rechnung einbezogen, da dieser zur Stromerzeugung unwiderruflich verbrannt wird. Dadurch haben fossile Kraftwerke immer einen Erntefaktor kleiner Eins. Erneuerbare Energien können als einzige Kraftwerkstypen Erntefaktoren größer Eins haben, da deren Energiequellen wie etwa Wind, Wasser oder Sonne nach Menschenleben-Maßstab nicht endlich sind bzw. sich bei nachhaltiger Nutzung (etwa von Waldbeständen) regenerieren. Ein Vergleich zwischen fossilen und nicht-fossilen Kraftwerken ist aber nach dieser Definitionsweise nicht mehr möglich, da die Definition für beide Kraftwerksarten unterschiedlich erfolgt.
Normalerweise wird in der FachliteraturB. Diekmann, K. Heinloth: Energie. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1997, ISBN 3-519-13057-2. der Brennstoff bei der Berechnung des Erntefaktors nicht berücksichtigt und nur die zu Bau und Wartung benötigte Energie mit der produzierten Energie verglichen. Dadurch können verschiedene Anlagenformen unabhängig vom Brennstoff, ob nuklear oder solar, miteinander verglichen werden.
Der Erntefaktor mit Berücksichtigung des Brennstoffeinsatzes ergibt sich für fossile Kraftwerke über eine lange Anlagenbetriebsdauer (20 Jahre und länger) näherungsweise aus dem Anlagenwirkungsgrad, da der Energieaufwand zum Bau und Rückbau der Anlage im Verhältnis zu der über die gesamte Dauer insgesamt umgesetzten sehr großen Energiemenge (Brennstoff) sehr klein wird. Die Berechnung der gesamten zur Herstellung eines Produktes benötigten Energie ist im Allgemeinen sehr komplex. Je nach Quelle und gegebenenfalls der Interessenlage des Autors können so auch die angegebenen Erntefaktoren stark schwanken. Auch die Dauer der angenommenen Anlagenlebenszeit hat Einfluss auf die Höhe des Erntefaktors und sollte daher mit angegeben werden.
Energetische Amortisationszeit Die Energetische Amortisationszeit hängt eng mit dem Begriff Erntefaktor zusammen. Bekannt ist sie auch unter den Begriffen Energierücklaufzeit (englisch energy-payback-time) oder einfach nur energetische Amortisation.
Die Energetische Amortisationszeit beschreibt die Zeit, die eine Energiegewinnungsanlage betrieben werden muss, bis die für die Herstellung aufgewendete Energie wieder gewonnen worden ist, wenn der Erntefaktor also gleich Eins ist. Anlagen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, haben energetische Amortisationszeiten von einigen Monaten oder Jahren.
Die energetische Amortisationszeit ist zwar streng genommen keine Kennzahl der Wirtschaftlichkeit, dennoch ist sie bei der Bewertung von Technologien hinsichtlich der Kostensteigerungspotenziale relevant. Des Weiteren kann es für die Außendarstellung von Unternehmen von Vorteil sein, wenn sie kurze energetische Amortisationszeiten anstreben.
Windkraftanlagen In der öffentlichen Diskussion um die Nutzung der Windenergie ist oft die Energetische Amortisationszeit von Windkraftanlagen ein Streitthema zwischen Befürwortern („nur wenige Monate“) und Gegnern („keine energetische Amortisation“). Während erste Untersuchungen aus der Pionierzeit der Windenergienutzung (1970er und frühe 1980er Jahre), beruhend auf unausgereiften Testanlagen, durchaus den Schluss zuließen, dass eine energetische Amortisation kaum möglich ist, belegen zahlreiche Studien seit Ende der 1980er Jahre, dass sich die heutigen, ausgereiften Serienanlagen in wenigen Monaten energetisch amortisieren.