Donnerstag, 22. November 2018
-   Topthema

Phasen der Transformation des Energiesystems

Hans-Martin Henning, Andreas Palzer, Carsten Pape, Frieder Borggrefe, Henning Jachmann und Manfred Fischedick

Die Transformation des deutschen Energiesystems in Richtung signifikanter Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen kann durch eine Abfolge verschiedener Phasen beschrieben werden. Phasenübergänge ergeben sich dabei aus strukturellen Erfordernissen im Gesamtsystem bei kontinuierlichem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiewandler, insbesondere Sonne und Wind. Die anstehende zweite Phase ist durch eine umfassende Systemintegration volatiler erneuerbarer Energien insbesondere im Bereich der Strombereitstellung geprägt. Dies erfordert sowohl eine flexible komplementäre Erzeugung als auch die Aktivierung von Flexibilitätsoptionen auf der Verbrauchsseite.

Wesentlicher Antrieb für den Umbau des deutschen Energiesystems sind die klimapolitischen Ziele der Bundesregierung. Übergreifendes Langfristziel ist dabei die Absenkung der deutschen Treibhausgasemissionen bis 2050 um mindestens 80 %, bezogen auf den Referenzwert des Kyoto-Protokolls im Jahr 1990.

Langfristszenarien der Entwicklung des deutschen Energiesystems

In den vergangenen Jahren wurde von unterschiedlichen Institutionen eine Vielzahl von Szenarien zur Entwicklung des deutschen Energiesystems erstellt, die eine Absenkung der energiebedingten CO2-Emissionen um mindestens 80 % bis zum Jahr 2050 abbilden. Diese Szenarien unterscheiden sich teilweise erheblich sowohl hinsichtlich des methodischen Vorgehens als auch hinsichtlich der zugrunde gelegten Technologien. Eine Übersicht gibt Abb. 1, in der die jährliche Bruttostromproduktion und deren Zusammensetzung für insgesamt 29 Szenarien, davon 24 Klimaschutzszenarien, zusammengestellt ist [1].

Die Mehrzahl der Szenarien sieht erneuerbare Energien als die wichtigsten Quellen der Energiebereitstellung; daneben spielt bei allen Szenarien effiziente Wandlung und Verbrauchsreduktion eine wesentliche Rolle zur Zielerreichung. Auch bei den Szenarien mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien gibt es wichtige Unterschiede, und zwar hinsichtlich der Zusammensetzung von Erneuerbaren aus heimischer Produktion und aus Importen.

Ein Import kann entweder in Form von Energieträgern (Biomasse, Brenn-/Kraftstoffe) oder in Form von Stromimporten über Hochspannungsübertragungsnetze erfolgen. Je höher der Import erneuerbarer Energien ist, desto geringer kann die heimische Produktion ausfallen. Ein Beispiel für ein Szenario mit hohem Anteil an regelbaren Strom, der u. a. aus Nordafrika (15 %) importiert wird, ist das „Szenario 2, Trieb 2013“ (fünftes von rechts in Abb. 1) [2]. Da hier die Stromproduktion vor allem auch durch solarthermische Kraftwerke mit integriertem Speicher und ggf. fossiler Zusatzfeuerung erfolgt, ist eine regelbare Strombereitstellung möglich.

Betrachtung eines ausgewählten Szenarios

Anhand eines ausgewählten Beispielszenarios wird die Entwicklung des Ausbaus erneuerbarer Energien dargestellt, aus der sich die Strukturierung der Transformation des Energiesystems in Phasen ergibt; dieses Szenario ist das als „Referenzszenario (Fh-ISE 2013)“ bezeichnete (viertes von rechts in Abb. 1). Dieses Szenario basiert auf einer sektor- und energieträgerübergreifenden, stundengenauen Modellierung und Strukturoptimierung des deutschen Energiesystems unter der Annahme einer Absenkung der energiebedingten CO2-Emissionen um 81 % [3]. Wesentliche Ergebnisse dieser Optimierung sind die Folgenden:

  • Erneuerbare Energien decken rund 80 % der Stromerzeugung bei leicht steigendem Strombedarf. Im Zielsystem beträgt die installierte Leistung der Photovoltaik 147 GW, von Windenergieanlagen an Land 120 GW und von Windenergieanlagen auf See 32 GW.
  • Durch Verbrauchsreduktion, insbesondere im Bereich der klassischen Stromverbraucher (z. B. Beleuchtung, Pumpen und Antriebe) sowie beim Raumwärmebedarf des Gebäudesektors, sowie erheblicher Effizienzgewinne durch effiziente Wandler erfolgt eine Absenkung des Primärenergiebedarfs um knapp 50 % bezogen auf den Wert in 2008 (s. auch weiter unten).
  • Kraftwärmekopplungsanlagen, insbesondere im mittleren (Quartiers-KWK) und großen Leistungsbereich (große Heizkraftwerke) decken nahezu vollständig die residuale Stromerzeugung. Die installierte elektrische Leistung der KWK-Anlagen beträgt insgesamt knapp 60 GW.
  • Wärmepumpen mit elektrischem Antrieb und Gas-Wärmepumpen sind die dominante Heiztechnik in Einzelgebäuden.
  • Die jährlichen Vollkosten des Gesamtsystems liegen in der gleichen Größenordnung wie heute.

Die Entwicklung des Ausbaus von Photovoltaik und Wind in diesem Szenario zeigt Abb. 2. Die Mehrzahl der betrachteten Szenarien sieht eine insgesamt installierte Leistung von 300 GW oder mehr an fluktuierenden erneuerbaren Energien vor, wobei sich der Mix aus Photovoltaik, Wind-Onshore und Wind-Offshore jeweils unterscheidet. Dieser Wert kann allerdings geringer ausfallen, wenn der Anteil regelbarer erneuerbarer Energien höher ist, z. B. wie im oben erwähnten Szenario (Trieb 2013) [2] mit hohem Anteil an Importstrom.

Phasen der Transformation des Energiesystems

Der kontinuierliche Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien ist in der Mehrzahl der Szenarien ein Schlüsselelement der Transformation des Energiesystems. Dieser Ausbau erfolgte seit den späten 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts bis heute ohne wesentliche Anpassung des Gesamtsystems. Heute beträgt der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion mehr als 27 %, wovon gut die Hälfte aus Photovoltaik und Wind stammt. Innerhalb dieser Zeit wurden signifikante Fortschritte bei der Technologieentwicklung und Kostenreduktion dieser Energiewandler erreicht. Diese erste Phase der Transformation des Energiesystems ist als abgeschlossen zu betrachten, da ein weiterer Ausbau eine Anpassung des Gesamtsystems erfordert.

Die anstehende zweite Phase der Systemtransformation erfordert nun eine umfassende Systemintegration fluktuierender erneuerbarer Energien. Wesentliche Elemente sind einerseits die zunehmende Flexibilisierung der komplementären (residualen) Stromerzeugung und andererseits der flexible Betrieb von Anlagen auf der Nutzungs- bzw. Verbrauchsseite. Dabei erfordert der wachsende Anteil erneuerbarer Energien im Strommix auch die Aktivierung von Flexibilitätspotenzialen außerhalb der klassischen Stromverbraucher, zunächst insbesondere im Bereich der Wärmebereitstellung und anschließend auch im Bereich der Mobilität. Eröffnet sich mittelfristig die Option relevante Anteile Stroms aus regelbarer erneuerbarer Erzeugung z. B. aus Nordafrika zu importieren, fällt der Anteil notwendiger Flexibilisierung geringer aus. Abb. 3 zeigt in qualitativer Darstellung wichtige Flexibilitätsoptionen und ihre Bedeutung auf der Zeitachse.

Die Analyse der Entwicklung der Residuallastkurve zeigt, dass zunächst die Aktivierung von Flexibilitätsoptionen, die eine Anpassung von Erzeugung und Verbrauch im Zeitbereich unterhalb von Stunden bis einigen Stunden – also Lastverschiebungen im Tagesverlauf und Einsatz von Kurzzeitspeichern einschließlich batteriebasierter Elektrofahrzeuge – ausreichen. Neben Demand Side Management und Flexibilitätsoptionen im KWK-Bereich mit vergleichsweise geringem Investitionsaufwand können mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energien auch investitionsintensive Maßnahmen wirtschaftlich sinnvoll sein.

Beispiele hierfür sind Batteriespeicher in Kombination mit PV- oder Wind-Anlagen oder Importe regelbarer erneuerbarer Energien. Ab Durchdringungsgraden von rund 60–70 % fluktuierender Energien für die Strombereitstellung und darüber hinaus werden zunehmend Langzeitspeicher notwendig (durch den Import regelbarer erneuerbarer Energien könnte Phase 2 ausgedehnt und der Aufwand für Langzeitspeicher reduziert werden).

Hier beginnt die dritte Phase der Transformation des Energiesystems, in der wachsende Mengen erneuerbaren Stroms in synthetische Energieträger – Wasserstoff, Methan, flüssige synthetische Brenn- und Kraftstoffe – gewandelt werden. Vor einer Verwendung dieser Energieträger im Bereich Strom/Wärme ist ein Einsatz als Kraftstoffe für den Verkehr sinnvoll, da hier direkt fossile Energieträger, die heute für den Antrieb in Verbrennungsmotoren verwendet werden, ersetzt werden können. Dabei sind unterschiedliche Antriebskonzepte denkbar, wie z. B. Wasserstoff/Brennstoffzellen-Konzepte oder Gasmotoren, die einen Mix aus Erdgas, Bioerdgas und synthetischem Methan verwenden.

Schließlich sehen wir eine vierte Phase der Transformation des Energiesystems, die durch die Verdrängung der letzten noch im System genutzten fossilen Energieträger – insbesondere Erdgas – gekennzeichnet ist. Hier ist es schwierig abzusehen – aber aus heutiger Sicht auch noch nicht relevant – ob Energieträger auf Basis erneuerbarer Energien aus lokaler Erzeugung zum Tragen kommen oder Importierte, wie z. B. Flüssiggas aus sonnenreichen Regionen, die dort im großen Stil hergestellt werden.

 

Eine Übersicht über die vier Hauptphasen der Transformation des Energiesystems zeigt
Abb. 4. Dabei ist wichtig anzumerken, dass neben den strukturellen Phasen der Systemtransformation wesentliche Elemente vor allem im Bereich der Nutzungseffizienz kontinuierlich ablaufen müssen. Hierzu gehört insbesondere eine kontinuierliche Absenkung des Raumwärmebedarfs durch Maßnahmen des baulichen Wärmeschutzes sowie die Erhöhung der Nutzungseffizienz bei der Stromnutzung.

Bemerkungen zum Thema Effizienz

Wesentliche Elemente der Effizienz der Energiewandlung sind transformationsimmanent, d. h. der Systemumbau führt quasi „automatisch“ zu einer Steigerung der Effizienz. Wichtige Beispiele hierfür sind die Folgenden:

  • Die Kombination aus fluktuierenden erneuerbaren Energien und flexiblen Residualkraftwerken möglichst mit Kraft-Wärme-Kopplung zur Stromerzeugung bedingt die Vermeidung großer Primärenergieverluste, die heute beim Betrieb thermischer Kraftwerke auftreten.
  • Der Ersatz von einfacher Verbrennung zur Wärmebereitstellung durch elektrische Wärmepumpen in Verbindung mit hohen Anteilen CO2-armen Stroms stellt eine wesentlich effizientere Wärmebereitstellung dar.
  • Das Gleiche gilt für den Ersatz von Verbrennungsmotoren durch strombasierte Systeme (Elektromotoren mit Batterie oder Brennstoffzelle).

Nicht transformationsimmanent sind dagegen Steigerungen der Nutzungseffizienz in den bereits oben genannten Feldern wie dem baulichen Wärmeschutz des Gebäudebestands oder der Reduktion des Stromverbrauchs in klassischen Anwendungen.

Nutzung von Strom im Wärmesektor

Der Wärmesektor bietet bereits heute technische Optionen zur Nutzung von (Überschuss-) Strom aus erneuerbaren Energien, meist in Verbindung mit thermischen Speichern. Hier sind unterschiedliche Anwendungsfälle zu unterscheiden, wie die Bereitstellung negativer Regelenergie oder die Nutzung heute abgeregelten Stroms aus erneuerbaren Energien. Abregelung erfolgt im heutigen System aufgrund von zwei Hauptursachen, nämlich entweder aufgrund von Netzrestriktionen, die eine direkte Nutzung verhindern oder aufgrund von negativen Preisen an der Strombörse.

Aus technischer Sicht lassen sich in der Nutzung befindliche Nachtspeicherheizungen, Wärmepumpen, elektrische Warmwasserbereiter, Wärmespeicher in Verbindung mit KWK-Anlagen, aber auch neue Konzepte wie Elektrodenheizkessel in Fernwärmenetzen oder der Industrie, als flexible Lasten nutzen. Der regulatorische Rahmen liefert heute allerdings nur in wenigen Fällen ausreichende Anreize, um diese Potenziale zu aktivieren. Wichtig für die Entwicklung dieser Anwendungen ist der Einsatz hybrider Lösungen, um flexibel je nach Stromangebot den Energieträger wechseln zu können.

Ein Beispiel sind hybride Wärmepumpen, die heute von vielen Heizungsherstellern angeboten werden. Hier bietet sich mittelfristig ein großes Potenzial zur effizienten Nutzung erneuerbaren Stroms zur Wärmebereitstellung mit Umstellung des Betriebs auf Erdgas zu Zeiten geringer Stromerzeugung aus Sonne und Wind. Im Rahmen einer Studie für die Agora Energiewende wurden Potenziale zur zeitnahen Nutzung von Flexibilitätsoptionen im Wärmemarkt ermittelt und Empfehlungen für die Anpassung des regulatorischen Rahmens gegeben, um diese Potenziale zu erschließen [4].

Notwendigkeit zur Anpassung des Gesamtsystems

Die Klimaschutzziele der Bundesregierung sind neben der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern im Verbund mit ihren volatilen Energiepreisen der wesentliche Antrieb für den Umbau des deutschen Energiesystems. Der kontinuierliche Ausbau erneuerbarer Energien mit wesentlichen Anteilen fluktuierender Wandler (Sonne, Wind) bedingt die Notwendigkeit einer Anpassung des Gesamtsystems. Dabei sind vier wesentliche Hauptphasen sichtbar, wobei die anstehende zweite Phase durch eine umfassende Systemintegration gekennzeichnet ist.

Die Betrachtung der Transformation des Energiesystems in Phasen hilft dabei, die Transformation zu strukturieren und Prioritäten auf der Zeitachse zu benennen. Phasenwechsel benötigen dabei eine begleitende Anpassung der regulatorischen Rahmenbedingungen. Für die anstehende zweite Phase ist hier insbesondere die Schaffung von Marktanreizen für Flexibilisierung zu nennen. So steht im kürzlich veröffentlichten Grünbuch des Bundeswirtschaftsministeriums [5]: „Der Markt muss dabei – sowohl in statischer als auch in dynamischer Sicht – die richtigen Anreize zur Entwicklung und Nutzung der Flexibilitätsoptionen setzen.“

Anmerkungen

  1. Die Darstellung wurde vom Wuppertal-Institut im Zuge einer Analyse wichtiger Szenarien zur Entwicklung des deutschen Energiesystems im Rahmen des Projektes „Energiesysteme der Zukunft“ erstellt. Dieses Projekt wird gemeinsam von den Akademien Leopoldina, acatech und der „Union der deutschen Akademien der Wissenschaft“ durchgeführt. Die Darstellung ist bislang noch unveröffentlicht.  ↩

  2. Trieb, F.: Integration erneuerbarer Energiequellen bei hohen Anteilen an der Stromversorgung, in: „et“, 63. Jg. (2013), Heft 7, S. 28–32.  ↩

  3. Henning, H-M., Palzer, A.: Energiesystem Deutschland 2050 – Sektor- und Energieträgerübergreifende, modellbasierte, ganzheitliche Untersuchung zur langfristigen Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen durch Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien. Studie Fraunhofer ISE, November 2013. Download unter: http://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien-und-positionspapiere/studie-energiesystem-deutschland–2050 ↩

  4. Gerhardt, N.; Richts C.; Hochloff, P.; Müller, T.; Hilpert, J.; Antoni, O.; Schulz, W.: Power-to-Heat zur Integration von ansonsten abgeregeltem Strom aus Erneuerbaren Energien – Handlungsvorschläge basierend auf einer Analyse von Potenzialen und energiewirtschaftlichen Effekten. Studie für Agora Energiewende, Juni 2014.  ↩

  5. BMWi 2014: Ein Strommarkt für die Energiewende. Diskussionspapier des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (Grünbuch). Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Berlin, Oktober 2014. Download unter: http://www.bmwi.de/DE/Themen/Energie/Strommarkt-der-Zukunft/gruenbuch.html  ↩

Prof. Dr. H.-M. Henning, Stellvertretender Institutsleiter, Geschäftsfeldkoordination Energieeffiziente Gebäude, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. A. Palzer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg; Dr. rer. nat. C. Pape, Gruppenleiter Virtuelle Energieversorgungssysteme, Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Kassel; F. Borggrefe, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Stuttgart; H. Jachmann, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Stuttgart; Institut für Technische Thermodynamik Systemanalyse & Technikbewertung; Prof. Dr.-Ing. M. Fischedick, Vizepräsident des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie, Wuppertal
Hans-Martin.Henning@ise.fraunhofer.de

Dieser Beitrag basiert auf einem Vortrag gleichen Titels, der auf der Jahrestagung 2014 „Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten“ des Forschungsverbunds Erneuerbare Energien (FVEE) gehalten wurde (Berlin, 6.–7.11.2014).

Suche

Aktuelles Heft
Schwerpunkt: Digitalisierung
Erkenntnisse bei der Umsetzung von Mieterstromprojekten
Automatisierter Handel, digitale Beschaffung, Breitbandausbau
Den Markt in den Dienst des Klimaschutzes stellen
mehr...
Anzeige
Tipps zur Navigation
Wussten Sie schon, dass Sie in jedem auf der Website vollständig veröffentlichten Artikel zum Fußnotentext springen können, indem sie auf den Fußnotenverweis [1] klicken? Von dort können sie wieder an die alte Position zurückkehren, wenn sie den Rückpfeil ↩ anwählen. Ebenso wird das entsprechende Bild im großen Format aufgerufen, wenn sie auf einen Abbildungsverweis (Abb. X) klicken.

  1. Dies ist der Text der Beispielfußnote. Klicken Sie auf den Pfeil hinter dem Text:  
EW Medien und Kongresse GmbH
Kaiserleistraße 8a | D-63067 Offenbach am Main | Telefon +49 (069) 7104487-0 | Telefax: +49 (069) 7104487-459

Aktuelles Heft  | Zukunftsfragen  | Topthema  | Weitere Themen  | Termine  | Heftbestellung  | Mediadaten  | Ansprechpartner

copyright by Friese Media GmbH 2012  |  anmelden  |  Impressum |  AGB  |  Datenschutz