Windenergienutzung und Lebenszyklusanalysen

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1 Quelle: bildarchiv.alpha-ventus.de Windenergienutzung und Lebenszyklusanalysen Windpark alpha ventus Hermann-Josef Wagner Master Class Course Conference Renewable Energies, Berlin

2 Gliederung Stand der Windenergienutzung Ökobilanzierung Annahmen und Ergebnisse Amortisationszeiten energetische und CO2-basierte Erweiterte Ökobilanz Fazit 2

3 Stand der Windenergienutzung 3

4 Weltweite Windnutzung Windenergienutzung weltweit (Werte gerundet) Gesamtkapazität Ende 2013 [GW] Anteil weltweit [%] China USA Deutschland Spanien 23 7 Indien 20 6 Großbritannien 11 3 Italien 9 3 Frankreich 8 3 Kanada 8 2 Dänemark 5 2 Restliche Länder Total DEWI Magazin No.44, Februar 2014,, S. 36, Wind Energy Use in Germany 4

5 Kosten einer 2 MW Onshore-Windenergieanlage Investitionsplan Betrag* [ /kw] Betriebskosten: 5,1 ct/kwh (Mittelwerte über 20 Jahre Betriebszeit)* Nabenhöhe < 120 m > 120 m Wartung, Reparaturen, Sonstiges 50 % Windkraftanlage, Transport zur Baustelle, Montage Pachtzahlungen für Grundstück 20 % Fundament 70 Netzanbindung 70 Baustellenerschließung (Wege) 40 Planung, Umweltmaßnahmen, Genehmigungen, Sonstiges 190 Betriebsführung (technisch und kaufmännisch) 20 % Rücklagen für Unvorhergesehenes 5 % Versicherungen 5 % Summe * Werte gerundet Quelle: Deutsche WindGuard GmbH; Kostensituation der Windenergie an Land in Deutschland, Stand

6 Ökobilanzierung 6

7 Prozessketten des Produktes Auto fahren Outputströme Outputströme Outputströme Outputströme Rohstoff A Förderung Inputströme Outputströme Transport Inputströme Outputströme Rohöl Raffinerie Inputströme Benzin herstellen Betrieb Auto recyclen Outputströme Prozessketten 1. Ordnung Rohstoffgewinnung A Rohstoffgewinnung X Herstellung Komponenten Kompo nenten Montage Auto herstellen Mann / Frau fährt Auto Auto warten Prozessketten 1. Ordnung Inputströme Rohstoff X Outputströme Herstellung M a s c h i n e n Inputströme Outputströme Straßen bauen Inputströme Outputströme Unterhalten Inputströme Straßen bauen und unterhalten Legende: Inputströme Outputströme sind bspw.: Emissionen, Abfälle, Abwasser Inputströme sind bspw.: Rohstoffe, Hilfsstoffe, Energieträger Prozessketten zweiter Ordnung sind bspw.: Herstellung von Straßenbaumaschinen Prozessketten 2. Ordnung Prozessketten 1. Ordnung 7

8 Mögliche Wirkungskategorien und -indikatoren in Ökobilanzen (1) Wirkungskategorie Energieressourcen (KEA) Wasser- und Luftbelastung Deponievolumen Stoffströme Energieverbrauch Schadstoffe in Abwasser und Luft Feste Abfälle Wirkungsindikatoren (Belastungszahlen) Alle Energieformen auf Primärenergieäquivalent zurückrechnen (KEA); unterschieden wenn möglich in fossile, nukleare & erneuerbare Kritisches Volumen (Emission geteilt durch Grenzwert = Verdünnungsvolumen ) Summenbildung, unterteilt nach vorgegebenen Kategorien der Abfallverordnung z. B. Feststoffdeponie, Hausmülldeponie, Sonderabfalldeponie Treibhauseffekt (GWP) Ozonabbau Treibhausrelevante Gase z.b. CO 2, N 2 O, FCKW FCKW Umrechnung über Global-Warming-Potential- Faktoren (GWP) auf CO 2 -Äquivalent Umrechnung über Ozon-Depleting-Potential- Faktoren (ODP) auf R11 Photooxidantien Gase, die zur photochemischen Ozonbildung beitragen (CO, NO x, NO 2, C x H y ) Umrechnung mit Wirkungsfaktoren auf kg Ethylen (C 2 H 4 )-Äquivalent (POCP) 8

9 Mögliche Wirkungskategorien und -indikatoren in Ökobilanzen (2) Wirkungskategorie Bodenversauerung Stoffströme Luftemissionen, die zur Versauerung beitragen Wirkungsindikatoren (Belastungszahlen) Umrechnung der Emissionen (SO 2, NO x, NH 3, O 3 ) über Wirkungsfaktoren auf kg-schwefeldioxid (SO 2 )-Äquivalent (AP). Als Referenz wird das Abgabepotential von H + -Ionen herangezogen Überdüngung ( Eutrophierung ) Düngende Emissionen in Wasser, Boden, Luft Umrechnung über Wirkungsfaktoren in kg- Phosphat (PO 4 )-Äquivalente (EP) Humantoxizität Ökotoxizität Emissionen mit Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit Emissionen mit Auswirkungen auf die Stabilität von Ökosystemen Umrechnung über Wirkungsfaktoren zu einer Äquivalenzzahl kg-körpergewicht (Menge Schadstoff [kg] geteilt durch toxikologisches Limit [mg/kg]) (HTP) Die Limits sind unterschiedlich zwischen Aufnahme über Wasser, Luft, Boden (Nahrungsmittel) Problem: belastbare Zahlen für Limits Analog Humantoxizität mit Äquivalenzzahl kg- Boden/Wasser Problem: Limits?! 9

10 Annahmen und Ergebnisse Windpark alpha ventus 10

11 Lebenszyklusanalyse Windpark alpha ventus Referenzsystem Laufzeit 20 Jahre Lebensdauer der Gründung 20 Jahre Volllaststunden 3900 h/a: inkl. Wartungs- bzw. Ausfallzeiten Eigenstrombedarf der WEA und der USW enthalten (Eigenerzeugung) Wartung und Instandhaltung: Wechsel von 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit Wechsel von 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 120 Helikoptertransporte pro Jahr für den Windpark 180 Schiffstransporte pro Jahr für den Windpark 12 Windenergieanlagen (davon 6 Anlagen der Fa. Repower - jetzt Senvion - und 6 Anlagen der Fa. Multibrid jetzt AREVA - 11

12 Datenlage REpower 5M (jetzt Senvion) Multibrid M5000 (jetzt AREVA) Offshore Umspannwerk Seekabel 110 kv Onshore Umspannwerk Primärdaten von REpower (am LEE vorh.) sehr gut aufgeschlüsselt Primärdaten von Areva weniger detailliert aufgeschlüsselt Primärdaten von Weserwind und Areva ausreichend aufgeschlüsselt Primärdaten transpower: Gesamtgewicht Aufschlüsselung gemäß LEE-Daten keine Primärdaten Auslegung und Bilanzierung gemäß LEE-Daten 12

13 Szenarien für 20 Jahre Laufzeit Fall Szenario Lebensdauer Gründung Volllaststunden Wartungseinsätze Anzahl WEA A Referenzsystem 20 Jahre 3900 h/a B Gründung 40 Jahre 40 Jahre 3900 h/a C Volllast Jahre 3600 h/a D Volllast Jahre 4200 h/a 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 120 Helikoptertransporte pro Jahr 180 Schiffstransporte pro Jahr 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 120 Helikoptertransporte pro Jahr 180 Schiffstransporte pro Jahr 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 120 Helikoptertransporte pro Jahr 180 Schiffstransporte pro Jahr 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 120 Helikoptertransporte pro Jahr 180 Schiffstransporte pro Jahr E Wartungseinsätze halbiert 20 Jahre 3900 h/a 1/2 Getriebe pro Anlage und Laufzeit 1,25 Rotorblättern pro Anlage und Laufzeit 60 Helikoptertransporte pro Jahr 90 Schiffstransporte pro Jahr 12 13

14 Montage eines Windenergiekonverters Source: Nordex AG 14

15 Windpark alpha ventus: Tripod-Gründungen Doti

16 Fundamente für Windkraftanlagen im Windpark alpha ventus 16

17 Blasenschleier als Unterwasser-Schallschutz beim Rammschlag Bilder: Links: Trianel Rechts: NVB, Nordhäuser Versorgungsbetriebe, entnommen aus: VDI Ingenieurforum, Ausgabe 2/

18 Windpark alpha-ventus: Montage eines Rotors Doti

19 Geplante und realisierte Offshore-Windparks in Deutschland (Nordsee 2012) Sonne, Wind & Wärme, 10/12 19

20 Ergebnisse Windpark alpha ventus KEA Lebenszyklus und Nutzungsphase KEA LZ alpha ventus TJ PE-Äquiv. Entsorgung 1,2% Nutzung 20,4% KEA Nutzung alpha ventus 471 TJ PE-Äquiv. Schiffseinsätze 70,4% Herstellung 78,4% Getriebewechsel 6,4% Helikoptereinsätze 11,6% Ölwechsel 3,0% Rotorblattwechsel 6,3% Transport und Montage 2,2% 20

21 Amortisationszeiten energetische und CO 2 -basierte 21

22 Energetische Amortisationszeit und Erntefaktor Substi tuiertes Primärenegieäquivalent EAZ Betriebszeit Erntezeit Entsorgung Energetische Amortisationszeit (EAZ): + + = Primärenergieaufwand Substituierte für Bau, Betrieb und fossile Energie Entsorgung Primärenergieaufwand (KEA) für Bau, Betrieb und Entsorgung Baubeginn KEA H KEA N KEA E Bau - P hase Inbetriebnahme Rückbau Erntefaktor (EF): = Substituierte fossile Energie über die Betriebszeit + + Primärenergieaufwand für Bau, Betrieb und Entsorgung 22

23 Energetische Amortisationszeit Fall Szenario Erz. Strom über 20a EAZ VDI EAZ Nutzung im Zähler CO 2 AZ VDI A Referenzsystem GWh 8,8 Monate 10,9 Monate 9,1 Monate B Gründung 40 Jahre GWh 6,1 Monate 8,2 Monate 6,3 Monate C Volllast GWh 9,5 Monate 11,8 Monate 9,9 Monate D Volllast GWh 8,1 Monate 10,1 Monate 8,5 Monate E Wartungseinsätze halbiert GWh 8,7 Monate 10,0 Monate 9,1 Monate Referenzsystem: Gründungslebensdauer 20 a Volllaststunden 3900 h/a Wartung: ½ Getriebe, 15 Rotorblätter, 120 Heli- & 180 Schiffstransporte 12x WEA 23

24 Erweiterte Ökobilanz Ergebnisse weiterer Wirkungskategorien Einordnung der Ergebnisse 24

25 Ergebnisse weiterer Wirkungskategorien EP pro kwh LZ alpha ventus HTP pro kwh LZ alpha ventus EP [mg PO 4 -Äquiv. / kwh] A B C D E F Szenarien POPC pro kwh LZ alpha ventus HTP [g DCB-Äquiv. / kwh] A B C D E F Szenarien AP pro kwh LZ alpha ventus POPC [mg C 2 H 4 -Äquiv. / kwh] A B C D E F Szenarien A B C D E F Szenarien Referenzsystem: Gründungslebensdauer 20 a Volllaststunden 3900 h/a Wartung: ½ Getriebe, 15 Rotorblätter, 120 Heli- & 180 Schiffstransporte 12x WEA AP [mg SO 2 -Äquiv. / kwh] 25

26 Einordnung der Ergebnisse Vergleich mit deutschem Strommix (bei gleichmäßiger Bewertung) GWP [g CO 2 -Äquiv./kWh] GWP [g CO2-Äquiv./kWh] 665 AP AP [mg [mg SO SO2-Äquiv./kWh] EP EP [mg PO4-Äquiv./kWh] 4 22 POCP [mg C2H4-Äquiv./kWh] POCP [mg C 2 H 4 -Äquiv./kWh] HTP [g DCB-Äquiv./kWh] HTP [g DCB-Äquiv./kWh] deutscher Strommix ab Hochspannungsleitung alpha ventus 26

27 Einordnung der Ergebnisse Normalisierung Vergleich mit BRD Gesamtemissionen AP Wirkungskategorien POCP HTP EP GWP Anteil an Gesamtemissionen Deutschlands [x ] alpha ventus (normalisiert) deutscher Strommix ab Hochspannunsleitung (normalisiert) 27

28 Fazit Datenlage: Ergebnisse: Eisenmetalle für KEA ausschlaggebend Datenunsicherheit überdeckt methodische Unsicherheit und wird auf 10% geschätzt REpower 5M und Multibrid M5000 weisen nach Beachtung der unterschiedlichen Datendetaillierung keine nennenswerten Unterschiede auf alpha ventus im Vergleich zum dt. Strommix deutlich besser (sowohl für gleichm. Bewertung als auch bei Normalisierung) Sensitivitäten: KEA der Szenarien A-E weichen < 25 % voneinander ab EAZ: in allen Szenarien < 1 Jahr CO 2 AZ: ca. 0,4 Monate länger als EAZ VDI 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Windpark alpha ventus Doti

30 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 30

31 Anhang: für die Diskussion 31

32 Einordnung der Ergebnisse Vergleich mit deutschem Strommix (bei Normalisierung) GWP [g CO 2 -Äquiv./kWh] GWP [g CO2-Äquiv./kWh] 665 AP [mg SO 2 -Äquiv./kWh] AP [mg SO2-Äquiv./kWh] EP [mg PO 4 -Äquiv./kWh] EP [mg PO4-Äquiv./kWh] POCP [mg C2H4-Äquiv./kWh] [mg C 2 H 4 -Äquiv./kWh] HTP HTP [g DCB-Äquiv./kWh] [g DCB-Äquiv./kWh] deutscher Strommix ab Hochspannungsleitung alpha ventus 32

33 Kumulierter Energieaufwand (KEA) KEA = KEA Herstellung + KEA Nutzung + KEA Entsorgung Umrechnung aller Energieaufwendungen in Primärenergieäquivalente KEA Herstellung = KEA Material + KEA Fertigung + KEA Transport = Σ (kea Material m Material ) + (W Endenergie G) + (T τ) kea Material m Material W Endenergie G T τ : spez. KEA für ein bestimmtes Material [MJ primär /kg] : Masse des Materials [kg] : Für die Fertigung eingesetzte Endenergie [MJ] : Bereitstellungsfaktor [MJ primär /MJ] : Transportleistung [t km] : spez. Energieaufwendungen für ein bestimmtes Verkehrsmittel [MJ primär /t km] 33

34 Prozessketten für Endenergieträger Beispiel: Bereitstellungsfaktor für Endenergieträger Problem: unterschiedliche Energieformen müssen vergleichbar gemacht werden Strom, Ölprodukte, etc. werden über typische (länderspezifische) Bereitstellungsketten auf Primärenergie zurück gerechnet Kohleförderung η = 0,94 à Primärenergie Kraftwerk η = 0,35 Elektrisches Netz η = 0,95 Strom 1 kwh à Endenergie Durch die Kohleförderung müssen 3,2 kwh Primärenergieäquivalent (PEQ) bereitgestellt werden Bereitstellungsfaktor: gstrom = η 1 gesamt über Kette Rohölgewinnung η = 0,96 à Primärenergie Transport η = 0,99 Raffinerie η = 0,93 Heizöl 1 kwh à Endenergie Das Primärenergieäquivalent von Öl entspricht 1,13 kwh (Bereitstellungsfaktor g Öl ) Hinweis: Wenn datentechnisch machbar, kann das Primärenergieäquivalent für eine Einheit Endenergie geteilt werden in einen fossilen, einen regenerativen und einen nuklearen Anteil. 34

35 Sachbilanz: Herstellung der WEA 35

36 Ergebnisse Windpark alpha ventus GWP Lebenszyklus und Nutzungsphase GWP LZ alpha ventus t CO 2 -Äquiv. Entsorgung 1,2% Nutzung 21,5% GWP Nutzung alpha ventus t CO2-Äquiv. Schiffseinsätze 72,0% Herstellung 77,3% Getriebewechsel 6,0% Helikoptereinsätze 11,5% Ölwechsel 2,1% Rotorblattwechsel 6,2% Transport und Montage 2,2% 36

37 Ergebnisse Windpark alpha ventus KEA und GWP Lebenszyklus nach Windparkkomponenten Netzanbindung inkl. Onshore Umspannwerk 17,8% KEA LZ alpha ventus TJ PE-Äquiv. 6x Multibrid inkl. Gründung und 30 kv Kabel 42,6% 6x Repower inkl. Gründung und 30 kv Kabel 39,6% Netzanbindung inkl. Onshore Umspannwerk 16,8% GWP LZ alpha ventus t CO 2 -Äquiv. 6x Multibrid inkl. Gründung und 30 kv Kabel 43,0% 6x Repower inkl. Gründung und 30 kv Kabel 40,1% 37

38 Amortisationszeit energetische und CO 2 -basierte EAZ VDI = KEA jährlich eingespeiste kwh g Herstellung + KEA Entsorgung dt. Strommix ab Hochspannung KEA Nutzung pro Jahr EAZ Nutzung im Zähler = KEA Herstellung KEA Nutzung jährlich eingespeiste kwh g + + KEA Entsorgung dt. Strommix ab Hochspannung CO2 AZ VDI = GWP jährlich eingespeiste kwh CO Herstellung + GWP Entsorgung 2dt. Strommix ab Hochspannung GWP Nutzung pro Jahr 38

39 Ergebnisse Szenario B Gründung 40a KEA KEA Herstellung REpower (Szenario B: Gründung 40a) 484 Mil. MJ PE-Äquiv. Gründung 37,6% WEA 58,0% KEA Herstellung Multibrid (Szenario B: Gründung 40a) 512 Mil. MJ PE-Äquiv. Innerparkverkabelung 4,4% WEA 53,2% Gründung 42,7% Innerparkverkabelung 4,1% 39

40 Ergebnisse Szenario F Windpark mit 40x WEA KEA und GWP Netzanbindung inkl. Onshore Umspannwerk 6,1% 6x Repower inkl. Gründung und 30 kv Kabel 45,2% KEA LZ beta ventus (Szenario F: 40x WEA) TJ PE-Äquiv. 6x Multibrid inkl. Gründung und 30 kv Kabel 48,7% Netzanbindung inkl. Onshore Umspannwerk 5,7% GWP LZ beta ventus (Szenario F: 40x WEA) t CO 2 -Äquiv. 6x Multibrid inkl. Gründung und 30 kv Kabel 48,8% 6x Repower inkl. Gründung und 30 kv Kabel 45,5% 40

41 Ergebnisse REpower 5M 41

42 Ergebnisse Herstellung 1x REpower 5M Verwendete Materialien Kunstoffe 5,2% Materialen Herstellung REpower (1x WEA inkl. Gründung und 30 kv Kabel) Sonstige 4,9% t Nichteisenmetalle 2,6% Eisenmetalle 87,4% 42

43 Ergebnisse Herstellung 6x REpower 5M Kumulierter Energieaufwand KEA Herstellung REpower (6x) Windparkkomponenten 666 TJ PE-Äquiv. Transport & Montage 1,8% Rotor und Nabe 20,2% KEA Herstellung WEA REpower (6x exkl. Gründung und Kabel) 281 TJ PE-Äquiv. Turm 31,9% WEA 42,2% Innerparkverkabelung 3,2% Gründung 54,6% Gondel inkl. Trafo & Umrichter 46,2% 43

44 Ergebnisse Herstellung 6x REpower 5M Treibhausgaspotential GWP Herstellung REpower (6x) Windparkkomponenten t CO 2 -Äquiv. Transport & Montage 1,8% Rotor und Nabe 20,7% GWP Herstellung WEA REpower (6x exkl. Gründung und Kabel) t CO2-Äquiv. Turm 31,7% WEA 42,2% Innerparkverkabelung 2,7% Gründung 55,0% Gondel inkl. Trafo & Umrichter 45,7% 44

45 Ergebnisse Multibrid M

46 Ergebnisse Herstellung 1x Multibrid M5000 Verwendete Materialien Kunstoffe 4,3% Materialien Herstellung Multibrid (1x WEA inkl. Gründung und 30 kv Kabel) Sonstige 5,1% t Nichteisenmetalle 1,3% Eisenmetalle 89,3% 46

47 Ergebnisse Herstellung 6x Multibrid M5000 Kumulierter Energieaufwand KEA Herstellung Multibrid (6x) Windparkkomponenten 731 TJ PE-Äquiv. Rotor und Nabe 23,5% KEA Herstellung WEA Multibrid (6x exkl. Gründung und Kabel) 272 TJ PE-Äquiv. Transport & Montage 1,8% Turm inkl. Trafo & Umrichter 42,0% WEA 37,3% Innerparkverkabelung 2,9% Gründung 59,8% Gondel 32,6% 47

48 Ergebnisse Herstellung 6x Multibrid M5000 Treibhausgaspotential GWP Herstellung Multibrid (6x) Windparkkomponenten t CO 2 -Äquiv. GWP Herstellung WEA Multibrid (6x exkl. Gründung und Kabel) t CO2-Äquiv. Transport & Montage 1,9% Rotor und Nabe 23,8% Turm inkl. Trafo & Umrichter 41,6% WEA 37,5% Innerparkverkabelung 2,5% Gründung 60,0% Gondel 32,6% 48

49 Ergebnisse Netzanbindung: off- & onshore Umspannwerk inkl. Schaltanlagen und Seekabel 110 kv 49

50 Ergebnisse Herstellung Netzanbindung Seekabel 110kV 65,2% KEA Herstellung Netzanbindung (inkl. Gründung) Onshore Umspannwerk 5,5% 409 TJ PE-Äquiv. Offshore Plattform 20,3% Bestückung Offshore Plattform 9,0% GWP Herstellung Netzanbindung (inkl. Gründung) Onshore Umspannwerk 6,4% t CO 2 -Äquiv. Offshore Plattform 21,5% Bestückung Offshore Plattform 12,4% Seekabel 110kV 59,7% 50

51 Ergebnisse Szenarien Maßgeblich für KEA ist die Herstellungsphase (Entsorgung vernachlässigbar) Stahlintensivität bestimmt KEA und GWP bei der Herstellungsphase Bei der Netzanbindung ist das Seekabel maßgeblich Spez. KEA Ref. : 0,14 kwh PE-Äquiv. / kwh Strom (BRD Strommix: 3,01 kwh/kwh) Spez. GWP Ref. : 30 g CO2 -Äquiv. / kwh Strom (BRD Strommix: 665 g/kwh) Für 40-jährige Lebensdauer der Gründung sinkt der Anteil der Gründung am KEA Herstellung um ca. 17%-Punkte Variation der Volllaststunden wirkt sich linear auf EAZ aus Spez. KEA beta ventus ist ca. 12 % günstiger im Vergleich zum Referenzfall (bei gleichem Umspannwerk und 110 kv Kabel) 51

52 Datenlage REpower 5M Multibrid M5000 Offshore Umspannwerk Seekabel 110 kv Onshore Umspannwerk Primärdaten von REpower (am LEE vorh.) sehr gut aufgeschlüsselt Primärdaten von Areva weniger detailliert aufgeschlüsselt Primärdaten von Weserwind und Areva ausreichend aufgeschlüsselt Primärdaten transpower: Gesamtgewicht Aufschlüsselung gemäß LEE-Daten keine Primärdaten Auslegung und Bilanzierung gemäß LEE-Daten 52

53 Ergebnisse Szenarien KEA LZ alpha ventus GWP LZ alpha ventus KEA [TJ PE-Äquiv.] A B C D E F Szenarien KEA pro kwh LZ alpha ventus GWP [t CO 2 -Äquiv.] A B C D E F Szenarien GWP pro kwh LZ alpha ventus KEA [kwh PE-Äquiv. / kwh] 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 A B C D E F Szenarien A B C D E F Szenarien Referenzsystem: Gründungslebensdauer 20 a Volllaststunden 3900 h/a Wartung: ½ Getriebe, 15 Rotorblätter, 120 Heli- & 180 Schiffstransporte 12x WEA GWP [g CO 2 -Äquiv. / kwh] 53