Sektorkopplung

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Unter Sektorkopplung (auch Sektorenkopplung oder Integrated Energy genannt) wird die gemeinsame Betrachtung und Vernetzung der drei Sektoren der Energiewirtschaft sowie der Industrie verstanden, die gekoppelt, also in einem gemeinsamen holistischen Ansatz optimiert werden sollen. Traditionell wurden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung, Verkehr, Industrie und Kälte weitgehend unabhängig voneinander betrachtet.[1] Sektorgekoppelte Energiesysteme werden häufig als Hybridnetze[2], komplett integrierte Systeme als Smart Energy Systems bezeichnet.[1]

Die Idee hinter dem Konzept ist es, nur auf Einzelsektoren zugeschnittenen Lösungsansätze hinter sich zu lassen, die nur Lösungen innerhalb des jeweiligen Sektors berücksichtigen, und stattdessen hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung aller Sektoren zu kommen, die ein besseres und günstigeres Gesamtsystem ermöglicht.[1] Die Sektorkopplung bietet drei Hauptvorteile: Erstens ermöglicht sie, dass mithilfe von erneuerbaren Energien, die vor allem Strom liefern, alle Sektoren der Wirtschaft dekarbonisiert werden können. Zweitens ermöglicht die intelligente Kopplung der Sektoren mit Hilfe von bestimmten energieeffizienten Technologien wie Wärmepumpenheizungen oder Elektroautos eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs. Drittens schafft die Sektorenkopplung, und damit die Nutzung großer und günstiger Energiespeicher außerhalb des Stromsektors, große Flexibilität in der Stromnachfrage, mit der die Schwankungen der variablen erneuerbaren Energien wie Windenergie und Solarenergie, ausgeglichen werden können, ohne zu stark auf teurere Stromspeicher setzen zu müssen.

Gerade weil 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 CO2-Budget 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 Energiequellen deutlich besser zur Stromerzeugung geeignet sind als zur Produktion von Kraftstoffen und Wärme.[11] In Staaten wie Deutschland ist zudem das Potenzial anderer erneuerbarer Energiequellen 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 der Sektoren Wärme und Verkehr 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 Energiequellen als energetische 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] Neben Wärmepumpen können Strom- und Wärmesektor auch über klassische Power-to-Heat-Anlagen wie variabel betriebene Elektrodenkessel, Heizstäbe und Elektroboiler gekoppelt werden. Beide Kopplungsarten ermöglichen zusammen mit Wärmespeichern eine günstige und variable Nachfrage nach elektrischer Energie. Auf diese Weise kann der Wärmesektor dem Stromsektor Flexibilität bereitstellen, die benötigt wird, um die Schwankungen der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie auszugleichen.[14]

Zudem ist die Sektorkopplung 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.[15][16][17]

Die Herausforderungen des schwankenden Angebots insbesondere von Sonnen- und Windenergie könnten durch die Kopplung der drei Sektoren wesentlich verringert werden. Während z.B. Ansätze, die nur den Stromsektor alleine betrachten, oft vergleichsweise hohe und teure Stromspeicherkapazitäten erfordern, ermöglicht die Sektorkopplung einen deutlich geringeren Einsatz von Stromspeichern, da die schwankende Erzeugung von Wind- und Solarstrom nicht mehr nur im Stromsektor ausgeglichen werden muss, sondern unter anderem auch Wärmesektor oder Verkehrssektor die nötige Flexibilität zum Ausgleich der Schwankungen liefern können. So können Stromüberschüsse z.B. als Wärme, Kälte, synthetische Brennstoffe usw. gespeichert werden, ohne dass teure Stromspeicher zum Einsatz kommen müssen. Zwar würde in allen diesen Fällen die Rückverstromung in sehr niedrigen Wirkungsgraden resultieren; dies ist aber bedeutungslos, da die Rückverstromung in der Regel überhaupt nicht vorgesehen ist. Stattdessen liegt der Sinn der Sektorkopplung darin, über die verschiedenen Sektoren einen sehr flexiblen Stromverbrauch zu schaffen, der die nötige Flexibilität aufweist, um die Erzeugungsschwankungen der variablen erneuerbaren Energien aufzunehmen.[1] So können z.B. mehr fossile Brennstoffe eingespart werden, wenn Stromüberschüsse über Wärmepumpen und Elektroautos im Wärme- und Verkehrssektor genutzt werden, als wenn der überschüssige Strom direkt gespeichert würde.[18]

Aufgrund der Sektorkopplung ist durch die Energiewende in Deutschland einerseits mit einem höheren Stromverbrauch als heute zu rechnen, andererseits wird allerdings der Primärenergiebedarf durch den Einsatz regenerativer Quellen und die damit gesteigerte Energieeffizienz bei der Stromerzeugung zurückgehen.[19][8][20][21] In den Sektoren Wärme und Verkehr werden bislang fast ausschließlich fossile Brennstoffe eingesetzt.[22]

Der Bedarf an zusätzlichen Stromtrassen 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] Generell gilt, dass Strom recht einfach zu transportieren ist, seine Speicherung jedoch hohe Kosten verursacht. Hingegen lässt sich Wärme nur schwer über (längere) Entfernungen transportieren, dafür ist sie einfach zu speichern. Strom kann zudem sehr leicht in Wärme verwandelt werden, während der umgekehrte Weg deutlich komplizierter ist.[23]

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.[22] Folgende Kopplungselemente, häufig unter dem Überbegriff „Power-to-X“ zusammengefasst, werden derzeit eingesetzt oder getestet:

  • Power-to-Gas: Erzeugung von Energiegasen aus erneuerbarem Überschussstrom 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-Liquids: Verfahren zur Herstellung von Treibstoffen aus Überschussstrom über den Weg der Elektrolyse/Wasserstoffherstellung zu verwertbaren Grundchemikalien (Methanol) oder Treibstoffen aus synthetischen Kohlenwasserstoffen (Dimethylester, Kerosin etc.)
  • Power-to-Chemicals: Einsatz von Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Erzeugung von Grundchemikalien für chemische Produkte
  • Kraft-Wärme-Kopplung: gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme mit Heizkraftwerken, Blockheizkraftwerken oder Brennstoffzellen

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 kann unter bestimmten Umständen den Bau neuer Stromtrassen reduzieren
  • 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 Henrik Lund et al.: Smart energy and smart energy systems. In: Energy. Band 137, 2017, S. 556–565, doi:10.1016/j.energy.2017.05.123.
  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. Band 145, 2015, S. 139–154, hier S. 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. Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, S. 151.
  15. Integriert, digital, effizient: Erfolgsfaktoren für die Energiewende, von Andreas Kuhlmann (dena), IRES-Symposion, 2015
  16. Erneuerbare Energie nutzen statt verschwenden!, Trend – Zeitschrift für Soziale Marktwirtschaft, 22. Dezember 2015
  17. Neu verknüpft, in Dena Magazin, Mai 2016, S. 16
  18. Andre Sternberg, Andre Bardow: Power-to-What? – Environmental assessment of energy storage systems. In: Energy and Environmental Science. Band 8, 2015, S. 389–400, doi:10.1039/c4ee03051f.
  19. Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 8. aktualisierte Auflage. München 2013, S. 49.
  20. Die Energiewende nach COP 21 – Aktuelle Szenarien der deutschen Energieversorgung, von Joachim Nitsch, 17. Februar 2016
  21. 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
  22. a b Sektorkopplung, RP-Energie-Lexikon
  23. Stefan Krauter: Simple and effective methods to match photovoltaic power generation to the grid load profile for a PV based energy system. In: Solar Energy. Band 159, 2018, S. 768–776, doi:10.1016/j.solener.2017.11.039.