Energiesysteme der Zukunft

Der Ausbau der erneuerbaren Energien schreitet voran. Dadurch verändert sich, wie Kraftwerke Strom produzieren: von einer stets einsatzbereiten Herstellung in großen Kraftwerken hin zu einer wetter- und tageszeitabhängigen Produktion in zahlreichen verteilten, kleineren Anlagen. Auch die Nachfrage verändert sich: Strom ersetzt zunehmend fossile Energieträger, direkt oder indirekt über Wasserstoff. Dadurch steigt der Strombedarf und die Nachfrage wird flexibler.

Mit dieser Entwicklung stellt sich die Frage: Können Grundlastkraftwerke im zukünftigen klimaneutralen Energiesystem gewinnbringend betrieben werden – und zwar durchgehend und mit hoher Auslastung? Oder führt die volatile Einspeisung aus Wind- und Solarstrom dazu, dass regelbare Kraftwerke so häufig abgeschaltet werden müssen, dass sie ungeeignet sind, um die erneuerbaren Energien zu ergänzen?

Die AG untersucht, unter welchen Bedingungen Grundlastkraftwerke sinnvoll ins europäische Energiesystem integriert werden können. Dazu erstellt das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI im Auftrag von ESYS eigene Modellrechnungen. Auf dieser Grundlage entwickelt die AG eine Publikation, die Voraussetzungen für eine Realisierung neuer Grundlastkraftwerke benennt und deren Auswirkungen auf das europäische Energiesystem skizziert.

Mit der Kernfusion könnte in rund zwei Jahrzehnten eine Technologie verfügbar sein, die zu einer klimaneutralen Energieversorgung beitragen kann. Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Atome miteinander, wodurch Energie freigesetzt wird – aber keine Treibhausgase. Diesen Prozess technisch zu kontrollieren und die Energie zu nutzen: das strebt die Kernfusionsforschung an.  

Allerdings ist die Realisierung komplex und anspruchsvoll. Unter anderem müssen spezielle Materialien verwendet werden, weil beispielsweise während der Fusion sehr hohe Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius herrschen. Außerdem kann das sogenannte Plasma, in dem die Atomkerne verschmelzen, bei ungünstigen Bedingungen schnell instabil werden, was die Fusionsreaktion stoppt. 

Wo die Forschung zur Magnet- und Trägheitsfusion aktuell steht und bis wann mit einer Umsetzung zu rechnen ist, beleuchtet dieses Impulspapier. Die Publikation basiert auf einem Workshop mit Fachleuten und diskutiert neben den Herausforderungen auch die Chancen von Fusionskraftwerken und wie sich diese in das zukünftige Energiesystem einfügen könnten. 

Die Wärmeversorgung von Gebäuden spielt eine entscheidende Rolle in dem Bestreben, bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Bisherige Anstrengungen bezüglich der „Wärmewende“ haben in den vergangenen Jahren jedoch kaum zu einer Senkung der Emissionen im Gebäudesektor geführt. Da die notwendigen technischen Maßnahmen das Leben der Menschen unmittelbar betreffen, hängt der Erfolg der Wärmewende zudem wesentlich davon ab, ob es gelingt, auf drängende soziale Fragen überzeugende Antworten zu finden.

Die ESYS-Arbeitsgruppe „Energiewende der bebauten Umwelt“ entwickelt Handlungsoptionen für eine technisch umsetzbare, sozial ausgewogene und ökonomisch effiziente Wärmewende in Deutschland. Wie können das Wissen und Kommunikationsmaßnahmen zur Wärmewende verbessert werden? Welche gesellschaftlichen Hürden bestehen – und wie kann man mit ihnen umgehen? Was soll mit „Worst-Performing Buildings“ geschehen, also solchen, die den schlechtesten Sanierungszustand aufweisen? Und wie kann diese Transformation sozial bestmöglich ausgestaltet werden? Diese und weitere Fragen stehen im Zentrum der interdisziplinär besetzten AG.

Trotz ambitionierter Maßnahmen zur Vermeidung von Treibhausgasen wird es auch langfristig Restemissionen geben – das zeigen Klimaszenarien schon länger. Um trotzdem Klimaneutralität und langfristig sogar Netto-negativ-Emissionen erreichen zu können, ist sogenanntes Kohlenstoffmanagement erforderlich. Dessen Bausteine Carbon Capture & Storage (CCS), Carbon Capture & Utilization (CCU) und Carbon Dioxide Removal (CDR; Negativemissionen) benötigen teilweise die gleichen Infrastrukturen und überschneiden sich in ihrem Beitrag zum Klimaschutz. Daher ist eine übergreifende Strategie erforderlich.

Anlässlich der 2024 erscheinenden Carbon Management Strategie (CMS) der Bundesregierung und der geplanten Langfriststrategie Negativemissionen (LNe) betrachtet eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe die Anforderungen an eine solche übergreifende Strategie.

In der Publikation werden die Fachleute die Eckpunkte der Carbon Management Strategie einordnen, auf weitergehende Handlungsbedarfe blicken und Fragen thematisieren wie diese: Welche Rolle spielen Negativemissionen, CCU und CCS in einem umfassenden Kohlenstoffmanagement? Wie können sich die Verfahren sinnvoll ergänzen, damit die Klimaschutzziele umgesetzt werden?

Der Ausbau von erneuerbaren Energien im Zuge der Energiewende in Deutschland und der EU führt zu einer neuen Dynamik auf den Strommärkten. Statt mit langfristigen Prognosen und Großkraftwerken planen zu können, müssen Strommärkte künftig kurzfristige Veränderungen durch fluktuierende erneuerbare Energiequellen, viele kleinere Marktteilnehmer und flexible Nutzung mitabbilden. Der geplante Wegfall von Kern- und Kohlekraftwerken verstärkt diese Dynamik. Die ESYS-Arbeitsgruppe „Strommarkt der Zukunft“ untersucht, wie das Marktdesign gestaltet werden könnte, um auch langfristig eine kostengünstige und sichere Versorgung zu garantieren. Hierbei geht es unter anderem um die folgenden Fragen: Wie können Anlagen für Erneuerbare Energien am besten finanziell gefördert werden oder wird eine Förderung durch einen hohen CO₂-Preis sogar obsolet? Können sich Kraftwerke und Speicher, die für die Versorgungssicherheit entscheidend sind, im bestehenden System refinanzieren? Wie kann es gelingen, mehr Flexibilität in den Strommarkt zu bringen, ohne die Versorgungssicherheit und Kosteneffizienz zu gefährden?

Die klimapolitischen Ziele wurden in Deutschland und Europa verschärft, eine globale Wasserstoffwirtschaft ist im Entstehen und Potenziale zur Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre (Negative Emissionen) sollen ausgelotet werden: Wie wirken sich diese Entwicklungen auf die Energiewende aus? Die AG Integrierte Energieversorgung untersucht, wie mögliche Wege in die Klimaneutralität vor 2050 unter diesen veränderten Vorzeichen aussehen können. Anhand eines Vergleichs aktueller Energieszenarien und eigener Modellrechnungen schafft sie einen Überblick über verschiedene mögliche Pfade zur Klimaneutralität und zeigt den Einfluss wichtiger technischer und ökonomischer Parameter und gesellschaftlicher Präferenzen auf die künftige Energieversorgung auf. Welche Treibhaus-Minderungspfade sind für die verschiedenen Sektoren nötig, um die deutschen und europäischen Klimaziele zu erreichen? Welche Technologien und Infrastrukturen müssen hierfür bis wann zur Verfügung stehen? Welche Rolle spielen Änderungen im Verbrauchsverhalten oder in der Energieeffizienz und welche politischen und regulatorischen Maßnahmen sind bis wann erforderlich, um diese Transformation zu schaffen?

Wasserstoff gilt in der Energiewende als Schlüsselelement für die Sektorenkopplung: Er bietet die Möglichkeit fossile Energien in den Sektoren zu ersetzen, in denen der direkte Einsatz von erneuerbarem Strom nur schwer realisierbar ist. Beispiele hierfür wären etwa die Chemie- und Stahlindustrie sowie der Flug-, See- und Schwerlastverkehr. Die hierfür benötigten Mengen können voraussichtlich nicht allein in Deutschland hergestellt werden. Wasserstoffimporte könnten helfen, diese Lücke zwischen Bedarf und Erzeugung zu schließen. Die ESYS-Arbeitsgruppe „Wasserstoffwirtschaft 2030“ erarbeitet Handlungsoptionen für den Markthochlauf bis 2030, identifiziert Vor- und Nachteile der verschiedenen Optionen und ermittelt Forschungsbedarfe. Im Zentrum der Arbeit stehen Themen wie Verfügbarkeit, Transportvektoren, Infrastrukturen und Anwendungen sowie Zertifizierung. Welche Importmengen sind bis zum Jahr 2030 realisierbar? Können dafür bestehende Infrastrukturen genutzt werden oder müssen neue geschaffen werden? Wie muss der regulatorische Rahmen gestaltet sein, damit sich wirtschaftliche Geschäftsmodelle entwickeln können? Unter anderem diesen Fragen wird die AG nachgehen.

Der russische Angriffskrieg auf die Ukraine und die daraus resultierenden geopolitischen Verwerfungen verändern die Rahmenbedingungen der Energieversorgung Deutschlands und Europas grundlegend. Wie könnte der Erdgasbedarf gedeckt werden, wenn westliche Staaten ein Embargo verhängen oder Russland die Lieferungen stoppt? Wie werden sich die Energiepreise in den nächsten Jahren entwickeln? Und was können Deutschland und Europa tun, um eine sichere und bezahlbare Energieversorgung für Industrie und Haushalte zu gewährleisten? Die Arbeitsgruppe betrachtet auf Basis zweier Gutachten ökonomische und netztechnische Auswirkungen unterbrochener Gaslieferungen aus Russland in einem Zeithorizont bis 2030 und leitet hieraus Handlungsoptionen für die deutsche und europäische Energiepolitik ab.

Photovoltaik und Windenergie haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten enorme technologische Fortschritte gemacht: Mit ihnen erzeugter Strom wird immer günstiger, ihr Ausbaupotenzial ist groß – dennoch stockt der Ausbau und reicht nicht aus, um die Pariser Klimaziele zu erreichen. Will Deutschland die nationalen und europäischen Klimaziele erreichen, muss dieser Prozess an Fahrt aufnehmen. Dies gilt umso mehr in Anbetracht des wachsenden Strombedarfs und der verschärften EU-Klimaziele. Die Arbeitsgruppe „Ausbau von Photovoltaik und Windenergie“ identifiziert Ausbauhemmnisse für diese Energieträger und erarbeitet Handlungsoptionen, wie diese überwunden werden können. Neben rechtlich-ökonomischen Rahmenbedingungen und der Gestaltung der Planungs- und Genehmigungsprozesse sollen insbesondere auch Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz und Umsetzbarkeit in die Arbeit einfließen.

Ohne Informations- und Kommunikationstechnologien ist die Energieversorgung inzwischen undenkbar. Sie ermöglichen den Informationsfluss zwischen Erzeugern, Verbrauchern, Umspannwerken und anderen Teilsystemen, überwachen das Netz und schlagen Alarm bei Problemen. Gleichzeitig birgt die Digitalisierung Risiken wie Manipulationen, Cyberangriffe oder fehlerhafte Anwendungen. Die Energieversorgung ist eine kritische Infrastruktur (KRITIS). Ein Blackout hätte daher weitreichende Folgen für die Gesellschaft. Der Anspruch lautet: Digitale Energieinfrastrukturen müssen sowohl sicher als auch sichernd sein. Das bedeutet, sie müssen sich selbst gegen Angriffe und Ausfälle verteidigen können und gleichzeitig das Gesamtsystem funktionsfähig halten. Wo liegen dabei die Chancen und Herausforderungen? Wer sind die Hauptakteure, welche Verantwortung tragen sie? Was muss auf Regulierungsebene und in der Praxis passieren? Mit diesen Fragen setzt sich die ESYS-Arbeitsgruppe „Resilienz digitalisierter Energiesysteme“ auseinander.

Die regulatorischen Fragen im Strommarkt sind heute andere als bei der Liberalisierung um die Jahrtausendwende, als wesentliche Weichen im deutschen Energiemarktdesign gestellt wurden. Das Marktdesign muss daher angepasst werden. Im Hinblick auf die absehbaren Herausforderungen sollte die Entwicklung des Marktdesigns unter Berücksichtigung der bisherigen Erfahrungen grundsätzlich überdacht werden. Optimiertes Marktdesign kann Klimaschutzziele effizienter und effektiver erreichen, die Integration erneuerbarer Energien verbessern und zur Versorgungssicherheit beitragen. Die AG erarbeitet für das Zieljahr 2030, wie der Strommarkt für die Dekarbonisierung des Energiesystems gestaltet sein sollte und welche Handlungsoptionen sich ergeben. Hierzu werden das europäische Emissionshandelssystem, die Förderung erneuerbarer Energien sowie die Wechselwirkungen des Stromsektors mit den Sektoren Verkehr und Wärme beleuchtet. 

Der Klimawandel ist eine globale Herausforderung, die nur durch den weltweiten Aufbau eines klimaneutralen Energiesystems bewältigt werden kann. Die Corona-Pandemie macht deutlich, wie unmittelbar uns globale Krisen bedrohen können. Die in diesem Zusammenhang angestoßenen Konjunkturprogramme können aber auch Chancen eröffnen, den langfristigen Transformationsprozess in Richtung Treibhausgas-Neutralität zu unterstützen. Vor diesem Hintergrund bietet die anstehende EU-Ratspräsidentschaft Deutschlands die Gelegenheit, die Bemühungen im Klimaschutz in einem europäischen Kontext weiterzuentwickeln. Die Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Energiewende 2030“ wird in ihrer Stellungnahme Handlungspfade für eine effektive und effiziente Klimaschutzpolitik im Energiebereich aufzeigen.

Durch den steigenden Einsatz erneuerbarer Energien wird Strom heute nicht mehr ausschließlich in Großkraftwerken produziert, sondern auch in kleineren Erzeugungseinheiten. So speisen immer mehr Privatpersonen, Unternehmen oder Kommunen mit eigenen Wind- oder Photovoltaikanlagen Strom ins Netz ein. Viele Bürgerinnen und Bürger sehen diese Entwicklung als Chance, die Energiewende aktiv mitzugestalten. Unklar ist jedoch, wie sich der Trend zur dezentralen Energieversorgung auf das Gesamtsystem auswirkt. Erwächst daraus eine funktionsfähige neue Systemarchitektur oder führt eine Fragmentierung des Energiesystems zunehmend zu Problemen?
Die Arbeitsgruppe will aufzeigen, wie zentrale und dezentrale Elemente zu einem stabilen Versorgungssystem integriert werden können. Dazu untersucht sie technische Möglichkeiten, rechtliche Rahmenbedingungen sowie politische, ökonomische und gesellschaftliche Fragestellungen.

Bioenergie hat einige Vorteile: Weil sie sich gut speichern lässt, kann man damit die Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie ausgleichen oder Wärme erzeugen. Man kann aus Biomasse Kraftstoffe herstellen oder in Kombination mit der CCS-Technologie einsetzen, sodass der Atmosphäre Treibhausgase entzogen werden. Klimamodelle zeigen, dass dies in einigen Jahrzehnten erforderlich sein wird. Die Nachteile: Bleiben Nachhaltigkeitskriterien außer Acht, verursacht der Anbau von Energiepflanzen Treibhausgase, wirkt sich negativ auf Artenvielfalt und Bodenqualität aus und belastet die Gewässer. Die Arbeitsgruppe untersucht, wie man Bioenergie möglichst nachhaltig für die Energieversorgung nutzen und so zum Klimaschutz beitragen kann.

Die Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung und der Pariser Klimavertrag legen fest, dass die Erderwärmung langfristig auf deutlich unter 2 Grad begrenzt und die Welt in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts treibhausgasneutral werden soll. Dafür muss die europäische Energieversorgung gemeinschaftlich umgebaut werden. Die Arbeitsgruppe untersucht den rechtlichen, politischen und ökonomischen Rahmen der europäischen Energiepolitik, vor allem im Hinblick auf bestehende Hemmnisse bei der Errichtung der europäischen Energieunion. Darauf aufbauend entwickelt sie Leitlinien für eine Governance der Energieunion, die nachhaltig, sicher und bezahlbar ist und auf eine vollständige CO₂-Neutralität abzielt. Sie will aufzeigen, wie der Prozess optimal gesteuert werden könnte, wie die Aufgaben innerhalb der EU gerecht und effizient verteilt werden könnten und wie Zivilgesellschaft und Privatwirtschaft eingebunden werden sollten.

*) Die Verwendung von Inhalten zu nichtwerblichen Zwecken ist mit Quellenangabe möglich. Bitte verwenden Sie als Quelle Schlacke et al. 2018, Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“.

Da gerade neue Energieinfrastrukturen lange im Voraus geplant werden müssen und hohe Investitionen erfordern, lassen sich einmal eingeschlagene Wege oft nur schwer wieder verlassen – es entstehen Pfadabhängigkeiten. Andererseits weiß heute noch niemand genau, welche Technologien 2050 verfügbar sein und was sie kosten werden. Wie kann man also heute schon sinnvolle Entscheidungen für das Energiesystem 2050 treffen? Dieser Frage geht die Arbeitsgruppe anhand der Beispiele „urbane Mobilität“ und „Güterverkehr“ nach. 

Um das politische Ziel von 80 bis 95 Prozent CO₂-Einsparung zu erreichen, genügt es nicht, nur die Stromerzeugung auf erneuerbare Energien umzustellen. Auch Wärmeversorgung und Verkehr müssen klimafreundlicher werden. Um das zu erreichen, werden die einzelnen Sektoren stärker miteinander vernetzt. Einen Ansatzpunkt bietet die Elektrifizierung: Elektroautos und Wärmepumpen können künftig ausschließlich mit Strom aus regenerativen Quellen betrieben werden. Power-to-X-Technologien wiederum kann man nutzen, um synthetisches Gas und Kraftstoffe herzustellen. Die Arbeitsgruppe analysiert mögliche Entwicklungspfade für eine stärkere Vernetzung der Sektoren und arbeitet heraus, welche Konsequenzen sich daraus für die Energieversorgung der Zukunft ergeben würden.

Bricht die Energieversorgung zusammen, drohen Schäden für Wirtschaft und Gesellschaft. Daher sollte das Energiesystem möglichst robust sein. Idealerweise „lernt“ es sogar aus Störfällen und ist danach besser auf künftige Ereignisse vorbereitet. Wie also kann eine sichere Energieversorgung auch dann gewährleistet werden, wenn mehrere unvorhergesehene Ereignisse zusammenkommen? Und welchen Einfluss hat die Energiewende auf die Widerstandskraft des Systems? Eine Arbeitsgruppe hat dazu beispielhafte „Bedrohungsszenarien“ entworfen und in einer Analyse beschrieben. Für die darauf aufbauende Stellungnahme hat sie Maßnahmen für ein resilientes Energiesystem der Zukunft herausgearbeitet.

Um den Endenergiebedarf zu reduzieren, müssen auch Privatverbraucher sparsamer mit Energie umgehen. Eine hohe Stromrechnung führt jedoch nur selten dazu, dass Bürgerinnen und Bürger ihr Energieverbrauchsverhalten aktiv ändern. Auf Basis verhaltenswissenschaftlicher Erkenntnisse hat eine Arbeitsgruppe unter anderem analysiert, welche Anreize Privathaushalte zum Energiesparen motivieren können.

Die Energiewende beeinflusst den Rohstoffbedarf: Während der Verbrauch von Kohle, Öl und Gas langfristig sinken soll, kann Bioenergie dazu beitragen, die schwankende Einspeisung aus Wind- und Solarenergie auszugleichen. Gleichzeitig werden mehr Metalle benötigt, um Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze auszubauen. Die Arbeitsgruppe hat untersucht, wie Deutschland unabhängiger von Rohstoffimporten werden kann und welche Maßnahmen dazu beitragen, die Versorgung langfristig zu sichern.

Energieszenarien dienen häufig als Grundlage für politische Entscheidungen. Umso wichtiger ist es, dass die Ergebnisse nachvollziehbar und transparent sind. Viele beauftragte Institute legen ihre Rechenmodelle jedoch nicht offen. Auch wird nicht immer deutlich, ob Vorgaben der Auftraggeber die Ergebnisse beeinflussen. Um mehr Transparenz zu schaffen, hat die Arbeitsgruppe Leitlinien für die Arbeit mit Energieszenarien entwickelt.

Die Einspeisung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen schwankt in Abhängigkeit vom Wetter. Flexibilitätstechnologien müssen diese Schwankungen ausgleichen – mit flexiblen Kraftwerken, Speichern und Lastmanagement, das den Verbrauch mit dem Angebot in Einklang bringt. Doch welche Technologien verbinden Stabilität mit Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und gesellschaftlicher Akzeptanz? Eine Arbeitsgruppe hat mithilfe eines eigens entwickelten Rechenmodells rund 130 Systemkonstellationen verglichen.

Um die globale Erderwärmung zu begrenzen, müssen die Energieversorgungssysteme möglichst vieler Länder nachhaltiger werden. Daher wäre es sinnvoll, die deutsche Energiewendepolitik stärker mit der europäischen Energie- und Klimapolitik zu verzahnen. Eine Arbeitsgruppe hat die Voraussetzungen für ein international anschlussfähiges europäisches Modell herausgearbeitet und dabei insbesondere den europäischen Emissionshandel, die Förderung erneuerbarer Energien und den Strombinnenmarkt beleuchtet.