Sektorkopplung

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Unter Sektorkopplung (auch Sektorenkopplung oder engl. Sector Coupling oder Integrated Energy genannt) wird die Vernetzung der Sektoren der Energiewirtschaft sowie der Industrie verstanden, die gekoppelt, also in einem gemeinsamen holistischen Ansatz optimiert werden sollen. Traditionell wurden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung (bzw. Kälte), Verkehr und Industrie weitgehend unabhängig voneinander betrachtet.[1]

Die Idee hinter dem Konzept ist es, nur auf Einzelsektoren zugeschnittene 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:

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]

Ein sektorgekoppeltes Energiesystem wird auch als Hybridnetz[5] bezeichnet; ein über mehrere Energieinfrastrukturen integriertes, ganzheitlich konzipiertes und optimiert betriebenes System wird engl. Smart Energy System genannt.[1]

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 die Kopplung der unterschiedlichen Sektoren wird es ermöglicht, erneuerbare elektrische Energie als wichtigen Energieträger auch 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] Zur Durchwetterung der sogenannten "kalten Dunkelflaute" wird von Energy Brainpool[8] der Einsatz von Speichergasen (Power-to-Gas -> Gasspeicher -> Gas-to-Power&Heat) empfohlen. Neben der Elektromobilität ist zur Anknüpfung des Verkehrssektors die Nutzung synthetischer Kraftstoffe in der Diskussion[9].

Konzept[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Erreichen der Klimaschutzziele erfordert, die Emissionen aller Energiesektoren auf Null zu reduzieren.[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.[10] 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] Wärmepumpen und Elektroautos fungieren in einem solchen System als bei Bedarf flexibel zuschaltbare Last.[13] Drei Viertel der in einer Delphi-Studie[14] befragten Experten glauben, dass im Jahr 2040 eine „All Electric Society“ Realität sein wird, also eine Gesellschaft, in der die Energiewirtschaft primär von elektrischer Seite versorgt wird.

Dieses Lastmanagement über die einzelnen Verbrauchssektoren hinweg kann als sog. funktionaler Stromspeicher dazu dienen, die Schwankungen der erneuerbaren Stromproduktion zu dämpfen und damit die gleichen Aufgaben übernehmen wie echte Stromspeicher.[15] Die Herausforderungen des schwankenden Angebots insbesondere von Sonnen- und Windenergie könnten durch diese Kopplung der einzelnen 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.[1]

Auf diese Weise lassen sich deutliche Kostenreduzierungen im Gesamtsystem erzielen, da Wärme-, Gas- und Treibstoffspeicher um Größenordnungen niedrigere Investitionskosten aufweisen als Stromspeicher. Beispielsweise liegen die Investitionskosten für Wärmespeicher bei gleicher Speicherkapazität etwa um Faktor 100 niedriger als für Stromspeicher.[16] Zwar würde in den genannten 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] Da ein solches Lastmanagement fast immer günstiger ist als konventionelle Energiespeicherung, wird in der Fachliteratur darauf hingewiesen, dass sie aus Kostengründen vorrangig eingesetzt werden sollte.[15]

Gleichzeitig 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.[17] Insbesondere die Kopplung von Strom- und Wärmesektor mit Wärmepumpenheizungen ist wichtig, da diese als die effizienteste Form der Strom-Wärme-Kopplung gelten.[18] So gilt z. B. der Einsatz von (Groß)-Wärmepumpen in Fernwärmesystemen als einer der vielversprechendsten Wege, um die Energieeffizienz von Wärmenetzen zu steigern und die Klimaschutzziele zu erreichen.[19] Damit ist die Sektorkopplung ebenfalls insofern wichtig, dass sie den Aufbau eines energieeffizienten Gesamtenergiesystems ermöglicht, das sowohl ökonomisch als auch ökologisch machbar ist.[3] 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.[20] Umgekehrt kann über die Rückverstromung von Speichergasen per Kraft-Wärme-Kopplung auf effiziente Weise die Restlast gedeckt werden, sofern die dargebotsabhängige Erzeugung nicht ausreicht, um die Last zu decken[21]. Dies entspricht einer Kopplung der leitungsgebundenen Infrastrukturen für Gas, thermische und elektrische Energie im Sinne einer Energiedrehscheibe (engl. Energy Hub [22]).

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 Energiesysteme und die Verwertung von Stromspitzen zu schaffen sowie das Lastmanagement auf Seiten der Stromnutzer anzugehen.[23][24][25] 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.[26][10][27][28] In den Sektoren Wärme und Verkehr werden bislang fast ausschließlich fossile Brennstoffe eingesetzt.[29] Mit dem Einsatz der Mechanismen der Sektorkopplung ist laut einer Studie der dena[30] ein Nettozubau erneuerbarer Energien von durchschnittlich bis zu 8,5 Gigawatt jährlich notwendig bis zum Jahr 2050 erforderlich.

Der Bedarf an zusätzlichen Stromtrassen ist ein anderer je nachdem, ob isoliert der Stromsektor betrachtet wird oder alle drei Energie-Sektoren.[10] 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.[10] 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 aufwendiger ist.[31]

Verbindungselemente zwischen den Sektoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Verbindungselemente zwischen den Sektoren gibt es eine Vielzahl von verfügbaren Techniken, deren Zusammenwirken noch zu gestalten ist.[29] Folgende Kopplungselemente, häufig unter dem Überbegriff „Power-to-X“ zusammengefasst, werden derzeit eingesetzt oder getestet:

  • Power-to-Chemicals: Einsatz von Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Erzeugung von Grundchemikalien für chemische Produkte
  • 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-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-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
  • Kraft-Wärme-Kopplung (Gas to Heat & Power): 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
  • Rückspeisung aus (z. B. Auto-) Batterien zur Überbrückung von Defiziten im Elektrizitätsversorgungssystem
  • Power-to-Gas-Anlagen können nahe den Erzeugungsschwerpunkten erneuerbaren Stroms gebaut werden, der Gastransport 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 mit erneuerbarem Gas betrieben werden, um elektrische Energie zur Deckung von positiver Restlast zu erzeugen und dabei Wärmesenken bzw. Wärmespeicher zu bedienen
  • Mit Batterie- und Gasspeichern könnten kurz- und langfristige Schwankungen in Stromerzeugung bzw. -verbrauch ausgeglichen werden.[10]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e 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. Philipp Pfeifroth, Benjamin Steinhorst: Funktionale Stromspeicher. FfE, 31. Mai 2018, abgerufen am 31. Mai 2018.
  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. 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.
  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. F. Huneke, C. Perez Linkenheil, M. Niggemeier: Kalte Dunkelflaute - Robustheit des Stromsystems bei Extremwetter. Energy Brainpool, 12. Mai 2017, abgerufen am 31. Mai 2018 (PDF; 1,7 MB).
  9. N.N.: Dokumentation E-Fuels. Wissenschaftliche Dienste, Deutscher Bundestag, 22. Januar 2018, abgerufen am 31. Mai 2018 (PDF; 0,3 MB).
  10. 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
  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. Jiawei Wang et al.: Energylab Nordhavn: An integrated community energy system towards green heating and e-mobility. In: Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2017 IEEE Conference and Exp. 2017, doi:10.1109/ITEC-AP.2017.8080846.
  14. Kapferer et al.: Delphi Energy Future 2040. BDEW, Mai 2016, abgerufen am 8. Juni 2018.
  15. a b Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, S. 77.
  16. Henrik Lund: Energy Storage and Smart Energy Systems. In: International Journal of Sustainable Energy Planning and Management. Band 11, 2016, S. 3–14, doi:10.5278/ijsepm.2016.11.2.
  17. 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.
  18. 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.
  19. M.A. Sayegh et al.: Heat pump placement, connection and operational modes in European district heating. In: Energy and Buildings. Band 166, 2018, S. 122–144, doi:10.1016/j.enbuild.2018.02.006.
  20. Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, S. 151.
  21. Max Fette, Hans Christian Gils: Kurzstudie zur Rolle der KWK in der Energiewende. B.KWK, März 2018, abgerufen am 9. Juni 2018.
  22. Martin Geidl et al.: The Energy Hub – A Powerful Concept for Future Energy Systems. ETH Zürich, 13. März 2007, abgerufen am 9. Juni 2018.
  23. Integriert, digital, effizient: Erfolgsfaktoren für die Energiewende, von Andreas Kuhlmann (dena), IRES-Symposion, 2015
  24. Erneuerbare Energie nutzen statt verschwenden!, Trend – Zeitschrift für Soziale Marktwirtschaft, 22. Dezember 2015
  25. Neu verknüpft, in Dena Magazin, Mai 2016, S. 16
  26. Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 8. aktualisierte Auflage. München 2013, S. 49.
  27. Die Energiewende nach COP 21 – Aktuelle Szenarien der deutschen Energieversorgung, von Joachim Nitsch, 17. Februar 2016
  28. 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
  29. a b Sektorkopplung, RP-Energie-Lexikon
  30. Andreas Kuhlmann Und andere: dena-Leitstudie: Integrierte Energiewende: Impulse für die Gestaltung des Energiesystems bis 2050. Deutschen Energie-Agentur (dena), abgerufen am 8. Juni 2018.
  31. 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.