Strom statt Wärme: Die Zukunft unseres Energiesystems ist physikalisch offensichtlich

Kohle- und Gaskraftwerke, Verbrennungsmotoren und auch Kernkraftwerke gehen den Umweg über Wärme und verlieren dabei den größten Teil der Energie. Die Physiker Axel Kleidon und Harald Lesch erklären, warum Photovoltaik, Wind, E-Autos und Wärmepumpen deshalb gewinnen.

VON AXEL KLEIDON UND HARALD LESCH · 15. NOVEMBER 2026 · 10 Min. LESEN

Die Kernaussagen in 90 Sekunden. VIDEO: CLEANTHINKING

Unser Energiesystem erlebt einen gewaltigen, epochalen Umbruch. Eine Weiterentwicklung, die im Kern das vollzieht, was man eigentlich schon seit langer Zeit hätte erwarten müssen: Auf dem Weg von der primär eingesetzten Energie zum eigentlichen Ziel, ihrer möglichst verlustfreien Nutzung, wird die Erzeugung von Wärme als Zwischenschritt ausgelassen. Und das steigert die Effizienz unserer Energienutzung ganz gewaltig.

Dieser Umbruch lässt sich anhand der Art und Weise, wie wir Licht erzeugen, wunderbar veranschaulichen: Früher nutzten wir Kerzen und Fackeln, also Verbrennung. Dies ist allerdings grundlegend ineffizient, denn Verbrennung erzeugt hauptsächlich Wärme und leider vergleichsweise wenig Licht. Heute erstrahlen in unseren Gebäuden LEDs. Ihre sehr hohe Lichtausbeute basiert auf einem quantenphysikalischen Effekt. Die eingesetzte Energie wird sehr viel effizienter genutzt, und zwar fast ausschließlich zur Erzeugung sichtbarer Strahlung, also von Licht. Im Bahnverkehr hat sich diese Entwicklung bereits vor Jahrzehnten vollzogen: Dampflokomotiven, angetrieben durch die Verbrennung von Kohle, wurden schon längst durch elektrisch betriebene ICEs ersetzt. Auf der Schiene wurden in Deutschlands Bahnen Verbrennungsmotoren weitgehend durch Elektromotoren ersetzt, also Wärmekraftmaschinen durch elektrische Maschinen.

Grafik: Für dieselbe Helligkeit von rund 800 Lumen braucht eine Glühlampe 60 Watt, eine LED nur 6 bis 9 Watt

Was die Thermodynamik verlangt

Warum lohnt sich das? Ein Blick auf eines der grundlegendsten Prinzipien der Physik erklärt es ohne Wenn und Aber: Energie kann nicht erzeugt und nicht vernichtet werden, aber ihre Nutzbarkeit kann verbraucht werden. Dabei wird die Energie umgewandelt, aber in ihrer Gesamtheit bleibt sie erhalten. Die Nutzbarkeit von Energie zeigt sich in Temperaturunterschieden, die, genauer gesagt, Unterschiede in der Entropie darstellen. Und die Entropie, sie muss insgesamt zunehmen, ein weiteres fundamentales Gesetz der Physik.

Welche Rolle dies in unserem Energiesystem spielt, wird deutlich bei konventionellen, thermischen Kraftwerken. Durch Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht dort Wärme mit hohen Temperaturen. Mit dieser Wärme wird zum einen Wasserdampf erzeugt, der über eine Dampfturbine einen Generator antreibt, der Strom erzeugt. Zum anderen wird ein großer Teil der produzierten Wärme durch die Kühltürme in die Umwelt abgeführt, aber bei deutlich geringerer Temperatur. Die Energie bleibt dabei erhalten: Die Wärme aus der Verbrennung geht auf in Abwärme und die Energie in der Stromerzeugung. Abwärme ist dabei unvermeidlich, die Kühlung wird gebraucht, denn es ist der Unterschied in der Temperatur, der den Wasserdampf in Bewegung hält. Thermodynamisch ist es die Abwärme, die Entropie aus dem Kraftwerk entfernt und somit dafür sorgt, dass die Entropie bei der Stromerzeugung insgesamt zunimmt.

Grafik: Braunkohlekraftwerk Lippendorf mit Pfeilen für Verbrennungswärme, Abwärme und Stromerzeugung — Ein Kraftwerk erzeugt Strom aus dem Temperaturunterschied zwischen Verbrennung und Abwärme. Dabei bleibt Energie erhalten: Die zugeführte Wärme aus der Verbrennung bilanziert Abwärme und Stromerzeugung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, also die Zunahme an Entropie, wird dadurch erfüllt, dass der Entropiefluss der Abwärme größer oder gleich der durch die Verbrennung zugeführten Entropie ist. Beide Bedingungen zusammen führen direkt zum bekannten Carnot'schen, maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, dem auch thermische Kraftwerke unterliegen. Abwärme ist dabei unvermeidbar und wird in der Regel mit großen Mengen Kühlwasser abgeführt. Das Foto zeigt das Braunkohlekraftwerk Lippendorf südlich von Leipzig. FOTO UND GRAFIK: AXEL KLEIDON

Was also letztendlich im Kraftwerk für die Stromerzeugung genutzt wird, ist der Temperaturunterschied zwischen Verbrennung und Abwärme. Dabei setzt dieser Unterschied die physikalische Obergrenze, wie viel Strom maximal erzeugt werden kann. Theoretisch liegt diese Grenze des Wirkungsgrades bei knapp 60 Prozent, aber realistisch sind es lediglich um die 35 bis 45 Prozent der Wärme, die durch Verbrennung freigesetzt wurde. Der Rest, also 55 bis 65 Prozent, muss als Abwärme abgeführt werden, in Form von verdampftem oder erwärmtem Wasser. Dadurch ist der Betrieb von thermischen Kraftwerken ganz eng mit dem Bedarf an gewaltigen Mengen Kühlwasser verbunden.

Auch Kernkraft und Kernfusion bleiben Dampfmaschinen

Auch Kernkraftwerke, angetrieben durch die Wärme aus der Kernspaltung, unterliegen den gleichen physikalischen Gesetzen. Dies würde auch für Kernfusionskraftwerke gelten. Auch sie würden nichts anderes als Wärme für die Erzeugung von Wasserdampf liefern, der dann wieder Dampfturbine und Generatoren antreibt. Auch wenn Kernfusion inzwischen als sehr modern und zukunftsweisend beworben wird, basiert sie ebenfalls auf der Technik von thermischen Kraftwerken aus dem letzten Jahrhundert, mit der gleichen Ineffizienz und mit dem gleichen, gewaltigen Bedarf an Kühlwasser. Also doch wieder „Dampfmaschine“, auch wenn die Energie für das heiße Wasser von Atomkernen stammt.

Verbrennungsmotor und Gasheizung verschenken Temperatur

Die gleichen Verluste treten auf, wenn wir Verbrennung für Mobilität und Raumwärme nutzen. Beim Verbrennungsmotor ist es genauso wie im Kraftwerk, nur die Effizienz ist noch deutlich schlechter. Deshalb die großen Kühlergrills an heutigen Autos. Auch die Erzeugung von Raumwärme durch Verbrennung ist ineffizient. Die fossilen Rohstoffe werden bei sehr hohen Temperaturen verbrannt. Theoretisch geht dies mit über 2.000 °C, in Realität erreicht die Flammentemperatur von Erdgas rund 1.900 °C, bei Öl gut 1.200 °C, bei Braunkohle 500 bis 700 °C. Auf dem Weg zum Wohnzimmer geht es dann weiter bergab mit der Temperatur. Alles Temperaturen, die deutlich über der gewünschten Raumtemperatur liegen und die wir gar nicht benötigen, um ein Wohnzimmer auf 22 °C zu halten. Der riesige Temperaturunterschied bleibt dabei also weitgehend ungenutzt. Und das ist ineffizient.

Also: Verbrennung beziehungsweise Wärme als Zwischenschritt ist eine wirklich ineffiziente Art und Weise, Energie zu nutzen. Aber wie geht es besser, also effizienter?

Photovoltaik und Wind brauchen keinen Umweg über Wärme

Für die Stromerzeugung liegt die effizienteste Lösung auf der Hand. Denn bei Photovoltaik ist das ganz anders. Hier gibt es keinen Zwischenschritt über Wärme, weil Solarstrahlung, also die elektromagnetische Einstrahlung der Sonne, direkt genutzt wird, um damit Elektronen anzuregen und so Strom zu erzeugen. Wie bei den LEDs basiert dies auf einem Effekt der Quantenphysik. Auch die Regeln der Physik, Energieerhaltung und Zunahme der Entropie, werden dabei natürlich eingehalten. Letztendlich nutzt Photovoltaik die sehr hohe Temperatur der Sonne, bei der das Sonnenlicht abgestrahlt wurde und die sich in den sichtbaren Wellenlängen des Lichts zeigt. Anders als bei thermischen Kraftwerken brauchen Solarpaneele aber kein Kühlwasser, sie kühlen durch ihre Abstrahlung. Ebenso ist es bei Windturbinen: Auch hier taucht Wärme als Zwischenschritt bei der Stromerzeugung nicht auf, der Bedarf an Kühlwasser fällt weg. Und gleichzeitig steigt die Effizienz des Energiesystems, weil keine Abwärme entstehen muss wie in thermischen Kraftwerken.

Grafik: Primärenergie, Stromerzeugung und Effizienz der Stromerzeugung in Deutschland 1990 bis 2023 nach Energieträgern, dazu die Kühlwassernutzung. Kleidon und Lesch — Einsatz von Primärenergie zur Stromerzeugung in Deutschland (oben) durch fossile Energieträger, Kernenergie und erneuerbare Energien sowie die damit erzeugte Strommenge (Mitte). Durch die Energiewende, insbesondere den Ausbau von Photovoltaik und Windenergie, hat die Effizienz der Stromerzeugung deutlich zugenommen, Abwärme und der Bedarf an Kühlwasser für Kraftwerke haben ebenso deutlich abgenommen. Die Daten zur Wassernutzung reichen bis 2019. GRAFIK: KLEIDON & LESCH (2024, 2025)

Physikalisch ist es also klar, wie Energiesysteme effizienter werden: Strom aus Photovoltaik und Windenergie vermeidet Abwärme bei der Energieerzeugung, ebenso die Elektromobilität, dort entsteht ebenfalls kaum Abwärme. Und Wärmepumpen leisten lediglich die Arbeit, um den recht kleinen Temperaturunterschied zwischen Wohnzimmer und Außenluft aufrechtzuerhalten, statt hohe Temperaturen durch Verbrennung zu erzeugen, die für Raumwärme gar nicht gebraucht werden.

Und so überrascht es nicht, dass die Effizienz der Stromerzeugung, also das Verhältnis aus Stromerzeugung zu eingesetzter Primärenergie, in Deutschland seit 1990 durch den Ausbau von Photovoltaik und Wind deutlich gestiegen ist. Während Anfang der 1990er-Jahre nur 36,3 Prozent der Primärenergie in Strom umgewandelt wurden, waren es 2023 bereits 58,3 Prozent. Folglich hat der Verbrauch an Kühlwasser deutlich abgenommen.

Die S-Kurve läuft weltweit

Diese ganz grundlegende Entwicklung hin zu einem effizienteren Energiesystem ist auch kein deutscher Sonderweg. Wir sehen den gleichen Trend mit einem rapiden Ausbau von Photovoltaik und Windenergie überall, weltweit. Auch dies ist einfach nachzuvollziehen. Photovoltaik und Windenergie ergänzen sich gut, sind recht einfache Technologien, und diese einfachen Technologien zeigen typischerweise ausgeprägte Lernkurven. Also: Sie sind einfach und günstig zu produzieren und werden pro Stück immer günstiger, je mehr sie produziert werden. Bei hochkomplexen Technologien wie Kernkraftwerken gibt es diese Dynamik praktisch nicht.

Grafik: Anteil von Photovoltaik und Wind an der Stromerzeugung in Deutschland, EU, USA und China als S-Kurve von 2000 bis 2050. Kleidon, Lesch und Conser — Der Anteil von Photovoltaik und Windenergie an der Stromerzeugung folgt weitestgehend logistischem Wachstum, auch „S-Kurve“ genannt. Dieses Wachstum zeigt sich in verschiedensten Ländern der Welt. Der Hauptunterschied von Deutschland zu anderen Regionen ist, dass dieser Trend vergleichsweise früh angefangen hat, sodass heute prozentual ein hoher Teil des Strombedarfs durch Photovoltaik und Wind gedeckt wird. GRAFIK: KLEIDON, LESCH & CONSER (2026)

Wie die S-Kurve funktioniert und warum sie für Photovoltaik und Wind so genau passt, rechnen Harald Lesch und Axel Kleidon auch im YouTube-Kanal Videowissen vor. Cleanthinking hat das Video im Beitrag „Warum die Energiewende einer mathematischen Kurve folgt“ ausführlich eingeordnet.

In anderen Worten: Die Zukunft unseres Energiesystems ist eigentlich offensichtlich. Diese Zukunft wird geprägt werden von einfacheren, günstigeren und effizienteren Technologien, insbesondere Photovoltaik, Windenergie, E-Mobilität und Wärmepumpen, statt durch hochkomplexe, teure Arten und Weisen, Wärme zu erzeugen und daraus dann erst Strom, wobei jede Menge Abwärme unvermeidlich anfällt. Der Schlüssel dazu ist, dass wir uns die Grundlagen physikalisch nüchtern ansehen, den Blick auf das Gesamtsystem und seine Effizienz richten und uns nicht durch Ideologien den Blick einschränken oder durch Versprechungen aus Phantasiewelten verblenden lassen.

Zum Weiterlesen und Weiterhören

Die physikalischen Grundlagen dieses Beitrags entfalten Harald Lesch und Axel Kleidon ausführlich in ihrem gemeinsamen Buch „Die Natur ist kein Parteimitglied. Mit den Gesetzen der Physik gegen politische Ignoranz“, erschienen 2026 bei C. Bertelsmann. Unsere Empfehlung ist das Hörbuch aus dem Hörverlag: Die beiden Autoren lesen selbst, dazu kommt ein rund 20-minütiges Gespräch der beiden.

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Ebenfalls 2026 bei C. Bertelsmann erschienen ist „Unser Energieverbrauch zum Verstehen und Mitreden“ von Christian Holler, Joachim Gaukel, Harald Lesch und Axel Kleidon. Das durchgehend illustrierte Buch zeigt am Beispiel einer vierköpfigen Familie, wie viel Energie wir jeden Tag wofür brauchen und wie eine effiziente Versorgung ohne fossile Brennstoffe aussehen kann.

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Axel Kleidon leitet am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena eine Forschungsgruppe zur Thermodynamik des Erdsystems. Harald Lesch ist Professor für Astrophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Live sind die beiden mit ihrem Buch am 2. Dezember 2026 in der Bayerischen Staatsbibliothek in München zu erleben. Weitere Videos der beiden gibt es auf YouTube. Mehr über Harald Lesch: Harald Lesch verlässt die Neutralität.

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