Sektorkopplung

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Unter Sektorkopplung (auch Sektorenkopplung oder Integrated Energy genannt) wird die gemeinsame Betrachtung und Vernetzung der drei Sektoren der Energiewirtschaft verstanden, die gekoppelt, also gemeinsam optimiert werden sollen. Bisher (Stand 2016) werden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung und Verkehr weitgehend unabhängig voneinander betrachtet.[1] Sektorgekoppelte Energiesysteme werden häufig als Hybridnetze bezeichnet.[2] Da die Sektorenkopplung Synergieeffekte bei der Integration von hohen Anteilen erneuerbarer Energien ermöglicht, wird sie als Schlüsselkonzept bei der Energiewende und dem Aufbau von Energiesystemen mit 100 % erneuerbaren Energien betrachtet.[3]

Es besteht ein weitgehender Konsens, dass die Sektorkopplung notwendig ist, um die Energiewende umzusetzen und die Klimaschutzziele zu erfüllen.[4] Drei Viertel der in einer Delphi-Studie befragten Experten glauben, dass im Jahr 2040 eine „All Electric Society“ Realität sein wird, also eine Gesellschaft in der die Energiewirtschaft sich zu einer Strom-Wirtschaft gewandelt haben wird.[5]

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Michael Sterner und Ingo Stadler definieren die Sektorenkopplung als Verbindung der "Sektoren Strom, Wärme, Verkehr" sowie des "nicht-energetischen Verbrauch fossiler Rohstoffe (v. a. Chemie) über Energiespeicher und Energiewandler." Durch diese Kopplung der unterschiedlichen Sektoren wird es anschließend ermöglicht "vorwiegend erneuerbarer Strom als Primärenergie zur Dekarbonisierung der anderen Sektoren" zu nutzen.[6] Ausgangspunkt und Kern der Sektorkopplung ist der Stromsektor, der Energie aus regenerativen Quellen für alle anderen Verbrauchssektoren liefert.[7]

Konzept[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Erreichen der Klimaschutzziele erfordert, die Emissionen aller Energiesektoren auf Null zu reduzieren.[8] Ursache hierfür ist, dass die Treibhausgasemissionen für die Begrenzung der Erdtemperatur auf einem bestimmten Niveau netto auf Null zurückgefahren werden müssen, da für eine bestimmte Temperatur nur ein begrenztes Kohlenstoffbudget zur Verfügung steht, das emittiert werden kann.[9] Um damit gravierende Konsequenzen der Globalen Erwärmung zu vermeiden, dürfen die heute bekannten fossilen Energiereserven demnach nur noch teilweise genutzt werden. Soll beispielsweise das Zwei-Grad-Ziel mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 50 % erreicht werden, dürfen im Zeitraum 2011 bis 2050 nach Daten des IPCC maximal zwischen 870 und 1.240 Gigatonnen (Mrd. Tonnen) Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden.[10]

Die Notwendigkeit zur Sektorkopplung ergibt sich aus der Tatsache, dass mit Windenergie und Solarenergie die wichtigsten erneuerbaren Energien deutlich besser zur Stromerzeugung geeignet sind als zur Produktion von Kraftstoffen und Wärme.[11] In Staaten wie Deutschland ist zudem das Potential anderer erneuerbarer Energien wie Bioenergie, Geothermie und Solarthermie begrenzt, sodass auch aus diesem Grund der Großteil der Energie durch Windkraft- und Photovoltaikanlagen produziert muss.[8]

Kernelement der Sektorkopplung ist daher die Umstellung des Wärme- und Verkehrssektors auf Ökostrom, sodass dieser zur wichtigsten Energieform der gesamten Energieversorgung wird. Daraus leitet sich dann ein Strategiepfad ab, der aus dem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien als energetischer Basis der Sektorkopplung besteht und durch einen parallelen Ausbau von Wärmepumpenheizungen und der Elektromobilität ergänzt wird.[12] Insbesondere die Kopplung von Strom- und Wärmesektor mit Wärmepumpenheizungen ist wichtig, da diese als die effizienteste Form der Strom-Wärme-Kopplung gelten.[13]

Die Herausforderungen des schwankenden Angebots insbesondere von Sonnen- und Windenergie könnten durch die Kopplung der drei Sektoren wesentlich verringert werden.[1] Zudem ist die Sektorenkopplung wichtig, da sie den Aufbau eines energieeffizienten Gesamtenergiesystems ermöglicht, das sowohl ökonomisch als auch ökologisch machbar ist.[3] Während in der „ersten Phase der Energiewende“ die Förderung der klimaneutralen Stromerzeugung im Mittelpunkt stand, geht es in der „zweiten Phase“ darum, das Energiesystem als Ganzes in den Fokus zu nehmen und Anreiz-Strukturen für intelligente Stromnetze und die Verwertung von Stromspitzen zu schaffen sowie das Lastmanagement auf Seiten der Stromnutzer anzugehen.[14][15][16]

Aufgrund der Sektorenkopplung ist durch die Energiewende in Deutschland einerseits mit einem höheren Stromverbrauch zu rechnen ist als heute. Andererseits wird der Primärenergiebedarf durch den Einsatz regenerativer Quellen und die damit gesteigerte Energieeffizienz bei der Stromerzeugung allerdings zurückgehen.[17][8][18][19] Im Wärme- und der Verkehrssektor werden bislang fast ausschließlich fossile Brennstoffe eingesetzt.[1]

Der Bedarf an zusätzlichen Strom-Trassen ist ein anderer je nachdem, ob isoliert der Stromsektor betrachtet wird oder alle drei Energie-Sektoren.[8] Da im Winter durch den Wärmebedarf wesentlich mehr Energie benötigt wird, bietet es sich an, die Kapazitäten so auszulegen, dass im Sommer ein Überangebot vorhanden ist, das über einen Langzeitspeicher gepuffert und damit für den Winter vorgehalten werden kann.[8]

Verbindungselemente zwischen den Sektoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Power-to-X

Als Verbindungselemente zwischen den Sektoren gibt es eine Vielzahl von verfügbaren Techniken, deren Zusammenwirken noch zu gestalten ist.[1] Folgende Kopplungselemente, häufig unter dem Überbegriff „Power-to-X“ zusammengefasst, werden derzeit erwogen:

  • Power-to-Gas: Erzeugung von Energiegasen aus erneuerbarem (Überschuss)-Strom durch die Elektrolyse (Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) und ggf. anschließender Methanisierung (Herstellung von erneuerbarem Erdgas durch die Anlage von Wasserstoff- an Kohlenstoffatome) als zentrales Kopplungselement zwischen Strom- und Gasinfrastruktur mit dem Ziel, zusätzliche Flexibilitäten zu schaffen.
  • Power-to-Heat: Einsatz von überschüssigen Strommengen im Wärmemarkt durch die Verwendung von regelbaren Heizelementen in lokalen Wärmespeichern, in Fernwärmesystemen oder die Zuschaltung von Wärmepumpen.
  • Power-to-Mobility: Einsatz von Überschussstrom zum Laden von Elektrofahrzeugen, das theoretisch auch ein Rückspeisen des Batterieinhalts ins Netz ermöglichen würde. Alternative Nutzung von aus Power-to-Gas-Prozessen erzeugtem Methan für CNG und LNG-Mobilität bzw. von Wasserstoff für die Brennstoffzellenmobilität
  • Power-to-Valuables: Einsatz von Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Erzeugung von chemischen Produkten, Druckluft, Schmelzen von Metallen, Oberflächen-Veredelungsprozesse, etc.
  • Power-to-Liquids: Verfahren zur Herstellung von Treibstoffen aus Überschussstrom, über den Weg der Elektrolyse/Wasserstoffdarstellung zu verwertbaren Grundchemikalien (Methanol) oder Treibstoffen aus synthetischen Kohlenwasserstoffen (Dimethylester, Kerosin etc.).
  • Zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus Gas sind bereits folgende Technologien verfügbar: •Kraft-Wärme-Kopplung: Einsatz des in Erdgasspeichern zwischengespeicherten Gases aus Power-to-Gas-Anlagen zur hocheffizienten, gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme
  • Brennstoffzellenkraftwerk: Eine auf der Basis einer Brennstoffzelle betriebene größere Stromerzeugung, die den Wasserstoff aus einer Power-to-Gas-Anlage nach der Zwischenspeicherung zum Ausgleich von Minderproduktionen aus erneuerbarer Energieerzeugung mit hoher Effizienz zurück in Strom verwandelt
  • Biomethan-Aufbereitung: Einspeisung von aufbereitetem Biogas ins Erdgasnetz
  • GuD-Kraftwerke: Umwandlung von im Erdgas gespeicherter chemischer Energie in Wärme und Strom mit Wirkungsgraden von ca. 60 Prozent

Für die gemeinsame Optimierung der Sektoren gibt es eine Reihe von Lösungs-Elementen:

  • Laden von (z. B. Auto-) Batterien in Zeiten des Überschusses von Sonnen- bzw. Windenergie
  • Nutzung von (z. B. Auto-) Batterien zur Überbrückung von Stromengpässen
  • power to gas Anlagen können nahe den Erzeugungsschwerpunkten erneuerbaren Stroms gebaut werden, der Gastransport erfolgt unproblematisch und vermindert deutlich die Anlage neuer Stromtrassen.
  • Durch die Power-to-Liquid-Techniken kann die Energie-Optimierung länderübergreifend erfolgen, da klimaneutral hergestellte Treibstoffe preiswert transportiert werden können.diese können in schwer umzustellen Bereichen (zum Beispiel im Flugverkehr, Schifffahrt, Schwerlasttransport) eingesetzt werden.
  • Anlagen zur gekoppelten Erzeugung von Kraft und Wärme (KWK) können einerseits mit erneuerbarem Gas betrieben werden, andererseits Strom zur Ergänzung erzeugen (Residuallast-Erzeugung)
  • Mit Batterie- und Gasspeichern könnten Schwankungen in Stromerzeugung bzw. -verbrauch ausgeglichen werden.[8]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d Sektorkopplung, RP-Energie-Lexikon
  2. Robert Tichler, Simon Moser: Systemische Notwendigkeit zur Weiterentwicklung von Hybridnetzen. In: Elektrotechnik und Informationstechnik. Band 134, Nr. 2, 2017, S. 222–228, doi:10.1007/s00502-017-0499-x.
  3. a b Brian Vad Mathiesen et al: Smart Energy Systems for coherent 100% renewable energy and transport solutions. In: Applied Energy 145, (2015), 139–154, 141, doi:10.1016/j.apenergy.2015.01.075.
  4. Christoph Stiller, Markus C. Weikl: Industrielle Produktion und Nutzung von konventionellem, CO2-armem und grünem Wasserstoff, in: Johannes Töpler, Jochen Lehmann (Hrsg.): Wasserstoff und Brennstoffzelle. Technologien und Marktperspektiven. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, 189-206, S. 204.
  5. Sektorkopplung: „All Electric Society“?, von Ursula Weidenfeld, et – Zeitschrift für Energiewirtschaft, Recht, Technik und Umwelt, März 2016
  6. Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2017, S. 28.
  7. Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2017, S. 60f.
  8. a b c d e f Sektorkopplung durch die Energiewende, Anforderungen an den Ausbau erneuerbarer Energien zum Erreichen der Pariser Klimaschutzziele unter Berücksichtigung der Sektorkopplung, von Volker Quaschning, Hochschule für Technik und Wirtschaft (Berlin), 20. Juni 2016
  9. Joeri Rogelj et al.: Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2 °C. In: Nature. Band 534, 2016, S. 631–639, doi:10.1038/nature18307.
  10. Christophe McGlade, Paul Ekins, The geographical distribution of fossil fuels unused when limiting global warming to 2°C. Nature 517, (2015), 187-190, doi:10.1038/nature14016.
  11. Holger Rogall: 100%-Versorgung mit erneuerbaren Energien. Bedingungen für eine globale, nationale und kommunale Umsetzung. Marburg 2014, S. 178.
  12. Vgl. Holger Rogall: 100%-Versorgung mit erneuerbaren Energien. Bedingungen für eine globale, nationale und kommunale Umsetzung. Marburg 2014, S. 178-180.
  13. Philip Witte, Martin Kaltschmitt: Dezentrale Steuerung eines Pools von Wärmepumpen auf Basis spieltheoretischer Methoden. In: Zeitschrift für Energiewirtschaft. Band 134, Nr. 3, 2017, S. 222–228, doi:10.1007/s12398-017-0201-3.
  14. Integriert, digital, effizient: Erfolgsfaktoren für die Energiewende, von Andreas Kuhlmann (dena), IRES-Symposion, 2015
  15. Erneuerbare Energie nutzen statt verschwenden!, Trend – Zeitschrift für Soziale Marktwirtschaft, 22. Dezember 2015
  16. Neu verknüpft, in Dena Magazin, Mai 2016, S. 16
  17. Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 8. aktualisierte Auflage. München 2013, S. 49.
  18. Die Energiewende nach COP 21 – Aktuelle Szenarien der deutschen Energieversorgung, von Joachim Nitsch, 17. Februar 2016
  19. Erneuerbare Energien im Verkehr Potenziale und Entwicklungsperspektiven verschiedener erneuerbarer Energieträger und Energieverbrauch der Verkehrsträger, von D. Kreyenberg, A. Lischke (DLR), F. Bergk, F. Duennebeil, C. Heidt, W. Knörr, (IFEU), T. Raksha, P. Schmidt, W. Weindorf (LBST), K. Naumann, S. Majer, F. Müller-Langer (DBFZ)Hrsg.: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), 10. März 2015