Sektorkopplung als Schlüssel der Energiewende

Jetzt die Weichen stellen für ein Energiesystem ohne fossile Energieträger

Zu viele fossile Energieträger, zu wenig Fortschritte: Deutschland wird seine Klimaziele deutlich verfehlen, wenn es weitergeht wie bisher. Nur durch einen klaren Kurswechsel zu mehr Sektorkopplung lassen sich die Ziele langfristig erreichen.

Eine ESYS-Arbeitsgruppe hat untersucht, wie Strom, Wärme und Verkehr miteinander verknüpft und viel mehr erneuerbare Energien in das Gesamtsystem integriert werden können.

Ergebnisse im Überblick

In Kürze


  • Strom aus regenerativen Quellen wird zum dominierenden Energieträger im Energiesystem. Der Strombedarf könnte sich bis 2050 nahezu verdoppeln. Als Folge müsste die Kapazität der Windkraft- und Photovoltaikanlagen auf ein Fünf- bis Siebenfaches anwachsen.
  • Technologien wie Elektroautos und Wärmepumpen, die Strom direkt und effizient nutzen, werden in Zukunft immer wichtiger. Doch auch synthetische Brenn- und Kraftstoffe sind voraussichtlich unverzichtbar.
  • Kurz- und Langzeitspeicher sowie flexible Stromnutzungsmodelle müssen künftig die volatile Stromerzeugung ausgleichen helfen. Auch Reservekapazitäten werden benötigt, um die Versorgung in „Dunkelflauten“ abzusichern. Ihr Umfang entspricht etwa dem heutigen konventionellen Kraftwerkspark.
  • Die Energiewende führt jährlich zu systemischen Mehrkosten in Höhe von ein bis zwei Prozent des deutschen Bruttoinlandsprodukts. Klug gesetzte Rahmenbedingungen sind wichtig, damit diese Kosten nicht noch weiter steigen.
  • Zentrales Steuerungselement ist ein einheitlicher, wirksamer CO2-Preis. Dieser kann erreicht werden, indem der europäische Emissionshandel auf alle Sektoren ausgeweitet und mit einem Mindestpreis beaufschlagt oder eine CO2-Steuer eingeführt wird.

Methode


Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben in der Arbeitsgruppe „Sektorkopplung“ unter Leitung von Eberhard Umbach und Hans-Martin Henning mitgewirkt. Basierend auf Expertendiskussionen, einem Vergleich relevanter Energieszenarien und eigenen Modellrechnungen hat die Arbeitsgruppe Schlüsselstellen des Energiesystems identifiziert, die Rolle einer zunehmenden Sektorkopplung für die Energieversorgung analysiert und daraus Handlungsoptionen für Deutschland abgeleitet.

Die Modellrechnungen wurden mit dem Simulations- und Optimierungsmodell REMod-D des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE durchgeführt. Insgesamt gab es sieben Rechenläufe mit unterschiedlichen Annahmen. Um herauszufinden, in welchem Ausmaß unterschiedliche CO2-Reduktionsziele die Entwicklung des Energiesystems beeinflussen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vier Berechnungen durchgeführt, denen Minderungsziele von 60 Prozent, 75 Prozent, 85 Prozent und 90 Prozent bis 2050 zugrunde lagen.

In den Rechenläufen fünf und sechs hat die Arbeitsgruppe untersucht, welchen Einfluss der vermehrte Einsatz von Wasserstoff oder synthetischen Brenn- und Kraftstoffen auf das Gesamtsystem hat. Dazu hat sie in beiden Rechenläufen ein CO2-Reduktionsziel von 85 Prozent festgelegt, wobei in Szenario fünf der Marktanteil von Wasserstofffahrzeugen bis 2050 auf 100 Prozent gesetzt wurden und Wasserstoff außerdem stärker zum Heizen genutzt wird. Im sechsten Rechenlauf wurden der Anteil von Wärmepumpen auf 40 Prozent und der Anteil von Elektrofahrzeugen auf 50 Prozent beschränkt, sodass Fahrzeuge hauptsächlich mit synthetischen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden.

In allen Modellrechnungen mit dem CO2-Minderungsziel von mindestens 85 Prozent erreicht die Kapazität an Windkraft- und Photovoltaikanlagen mindestens 500 Gigawatt, bis hin zur Obergrenze von 600 Gigawatt. Diese ergibt sich aus den begrenzt verfügbaren Flächen in Deutschland und ist entsprechend in dem Modellhinterlegt. Daher hat die Arbeitsgruppe in einer siebten Berechnung untersucht, welche Faktoren dazu beitragen können, den Ausbaubedarf der Erneuerbaren-Energieanlagen möglichst niedrig zu halten. Zu den untersuchten Faktoren zählen etwa Energieeinsparungen, eine verstärkte Nutzung der Solarthermie und ein erweiterter Stromaustausch mit Nachbarländern.

Energieträger


  • Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen wird zum dominierenden Energieträger. Ihn direkt zu nutzen, ist technisch gesehen oft effizienter und kostengünstiger als den Strom in Wasserstoff oder Methan umzuwandeln. So kann regenerativ erzeugter Strom beispielsweise Elektroautos oder Wärmepumpen antreiben.
  • Der gezielte Einsatz von Bioenergie, Solarthermie und Geothermie kann dazu beitragen, den Ausbau an Windkraft und Photovoltaik zu begrenzen und die gesellschaftliche Akzeptanz der Energiewende zu sichern.
  • Auch synthetische Brenn- und Kraftstoffe werden in Zukunft zu einem wichtigen Pfeiler des Energiesystems. Sie sind gut speicherbar und können zum Beispiel im Schiff- und Flugverkehr verwendet werden, wo rein elektrische Lösungen nur schwer oder gar nicht umsetzbar sind.
  • Wasserstoff kommt eine besondere Rolle zu, weil er viele Funktionen im Energiesystem einnehmen kann: Er kann in Industrieprozessen, zur Wärmeversorgung in Gebäuden oder als Kraftstoff im Verkehr eingesetzt, für die zeitversetzte Stromerzeugung genutzt oder in Methan beziehungsweise flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden.
  • Gas – natürliches Erdgas, Biogas und synthetische Gase – ist emissionsarm und vielseitig einsetzbar und könnte langfristig neben Strom zum zentralen Energieträger werden.

Sektoren


  • Weniger Energieverbrauch und emissionsärmere Technologien – mit diesen Stellschrauben kann die Wärmebereitstellung in Gebäuden klimafreundlicher werden. Bis 2050 sollte der Gebäudebestand saniert werden. Dazu müssten die Sanierungsquoten erhöht werden. Gleichzeitig gilt es, die spezifischen CO2-Emissionen der Heizungstechnologien auf etwa ein Drittel des heutigen Wertes zu senken. Neben elektrischen Wärmepumpen, die dabei eine Schlüsselfunktion einnehmen werden, bieten Gaswärmepumpen, Solarthermie und zentrale Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen hierfür wichtige Optionen. Wärmenetze werden eine wichtige Rolle spielen. Sie könnten knapp ein Drittel aller Gebäude mit Energie versorgen.
  • In der Industrie kann neben dem Einsatz von Biogas die Elektrifizierung von Wärmeprozessen dazu beitragen, die CO2-Emissionen zu senken. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt: Wärmepumpen sind oberhalb von etwa 200 Grad Celsius nicht einsetzbar und alternative Technologien wie Elektrodenheizkessel sind weniger effizient. Etliche Prozesse benötigen außerdem prozessbedingt chemische Brennstoffe. Hybridsysteme aus Strom und Gas können helfen, die Stromnutzung zu flexibilisieren. Nachteilig sind jedoch die hohen Investitionskosten für doppelte Infrastrukturen. Ein wichtiger Hebel, um Energieträger effizient zu nutzen, ist die Weiterverwendung von Abwärme, beispielsweise durch die Einspeisung in Wärmenetze.
  • Der Verkehrssektor bildet aktuell das Schlusslicht der Energiewende. Effiziente Antriebe und Kraftstoffe sowie der stärkere Einsatz erneuerbarer Energien sind entscheidende Ansätze, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, angetrieben mit Strom aus erneuerbaren Energien, werden für die Mobilität der Zukunft unverzichtbar. Hybrid-Fahrzeuge mit Elektro- und Verbrennungsmotoren können den Nachteil einer zu geringen Reichweite der Elektroautos umgehen. Im Schwerlast- und Fernverkehr zeichnen sich hingegen noch keine eindeutigen Lösungen ab. Wasserstoff, synthetisches Erdgas, synthetische Kraftstoffe oder elektrische Oberleitungen bieten aus heutiger Sicht mögliche Optionen. Diese Technologien sollten weiterentwickelt und in Pilotprojekten intensiv getestet werden.

Effizienz, Flexibilität und Versorgungssicherheit


Um den steigenden Strombedarf aus erneuerbaren Quellen zu decken, werden Windkraft- und Photovoltaikanlagen sehr stark ausgebaut werden müssen. Für eine klimaschonende Energieversorgung müsste die Kapazität gegenüber heute auf ein Fünf- bis Siebenfaches ansteigen. Maßnahmen zur effizienten Nutzung von Energie können helfen, diesen Ausbau zu begrenzen. Die im Erneuerbare-Energien-Gesetz 2017 vorgesehenen Fördermengen werden jedoch nicht ausreichen, um den künftigen Bedarf zu decken.

Kurz- und Langzeitspeicher sowie flexible Stromnutzungsmodelle werden benötigt, um die volatile Stromerzeugung zu glätten. Neben Pumpspeichern und Batterien, die Schwankungen für wenige Stunden abpuffern, werden flexible Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Wasserstoff an Bedeutung gewinnen. Als Langzeitspeicher kommt das Erdgasnetz mit den dazugehörigen Kavernen- und Porenspeichern infrage.

Um die Versorgung in allen Wetterlagen und zu allen Jahreszeiten zu sichern, kommt auch ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft nicht ohne Reservekapazitäten aus – mit voraussichtlich etwa 100 Gigawatt wird der Umfang etwa dem heutigen konventionellen Kraftwerkspark entsprechen. Dafür eignen sich emissionsarme Gaskraftwerke, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die mit Wasserstoff, Erdgas oder synthetischem Methan betrieben werden, oder Brennstoffzellen. Kohlekraftwerke spielen hingegen künftig keine Rolle mehr.

Da alle Kraftwerke im Energiesystem der Zukunft nur noch bei längeren „Dunkelflauten” betrieben werden, muss der Marktrahmen Geschäftsmodelle bieten, damit diese auch mit wenigen Betriebsstunden rentabel bleiben. 

Kosten des Umbaus


Durch den Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, die Einführung neuer Technologien und die notwendige Pufferkapazität wird das Stromsystem technisch wesentlich aufwändiger als heute. Im Vergleich zu einem auf fossilen Energieträgern basierenden Versorgungssystem führt die Energiewende daher zu beträchtlichen jährlichen Mehrkosten. Diese liegen bis zum Jahr 2050 – bei aller Unsicherheit, die naturgemäß bei derartigen Projektionen gegeben ist – im Mittel zwischen von ein bis zwei Prozent des deutschen Bruttoinlandsprodukts von 2016.

Dies beinhaltet Kosten für den technischen Umbau des Energiesystems, also etwa für den Auf- und Umbau sowie die Wartung der Infrastrukturen (wie Kraftwerke, Netze und Fahrzeugflotten) sowie Kosten für die Energieträger und die energetische Sanierung von Gebäuden. Nach dem Umbau des Energiesystems werden sich die Kosten reduzieren.

Politische Steuerung


Bisher haben es klimaschonende Technologien schwer, sich am Markt zu etablieren. So ist Strom beispielsweise mit höheren Abgaben, Umlagen und Steuern belastet als Erdgas und Heizöl. Damit die Sektorkopplung ihr volles Potenzial entfalten kann, müssen die Märkte für Strom, Wärme und Verkehr zusammenwachsen und gleiche Bedingungen für alle Energieträger bieten. Ein einheitlicher wirksamer CO2-Preis für alle Emissionen kann hierfür die zentrale Rolle spielen.

Eine Möglichkeit besteht darin, das europäische Emissionshandelssystem (EU ETS) auf alle Sektoren auszuweiten und einen Preiskorridor festzulegen. Gelingt dies nicht, könnte eine europaweite oder nationale CO2-Steuer eingeführt werden. Sie sollte dabei so ausgestaltet werden, dass sie das EU ETS sinnvoll ergänzt und gleichzeitig einen wirksamen Mindestpreis festsetzt. Mit einem Preiskorridor im ETS oder einer CO2-Steuer wäre die Entwicklung der CO2-Preise besser planbar und würde Unternehmen mehr Sicherheit geben, in klimafreundliche Technologien zu investieren. Ein weiterer Vorteil: Bisherige Umlagen, Abgaben und Steuern könnten durch einen sektorübergreifenden CO2-Preis teilweise ersetzt beziehungsweise abgebaut werden. Um auch international faire Wettbewerbsbedingungen zu schaffen, könnte auch an eine Besteuerung emissionsintensiver Importe gedacht werden.

Ein einheitlicher CO2-Preis ist jedoch kein Allheilmittel. In allen Bereichen des Energiesystems können Hemmnisse den Einsatz klimaneutraler Technologien verhindern. Um sie abzubauen, sind ergänzende Maßnahmen erforderlich. Neben finanziellen Anreizen wie Investitionszuschüssen, Steuererleichterungen, Marktanreizprogrammen und einer staatlichen Kofinanzierung von Infrastrukturen kann es sinnvoll sein, ordnungsrechtliche Vorgaben etwa zu Emissionsgrenzwerten und technischen Standards beizubehalten oder zu etablieren. Auch Forschungs- und Entwicklungsförderung oder Informations- und Beratungsangebote können helfen, neue Technologien in die Breite zu tragen.

Damit Marktakteure überhaupt in klimafreundliche Technologien investieren, brauchen sie Planungssicherheit. Voraussetzungen dafür sind eine Selbstverpflichtung der Politik zum Klimaschutz und das Vertrauen aller beteiligten Gruppen in die Verbindlichkeit der Klimaschutzziele sowie den langfristigen Bestand der CO2-Preise.

Phasen der Energiewende


  • In den vergangenen 25 bis 30 Jahren wurden Windkraft- und Photovoltaikanlagen, aber auch Biomassetechnologien entwickelt, ausgebaut und verbessert (erste Phase der Energiewende). Damit stehen die Basistechnologien für eine umfassende Systemintegration zur Verfügung.
  • Von nun an geht es in der zweiten Phase darum, Technologien der Sektorkopplung zu fördern und umzusetzen. Das heißt konkret, Strom überall dort direkt zu nutzen, wo es am effizientesten ist – etwa in Elektroautos und Wärmepumpen –, Batterien als Kurzzeitspeicher einzusetzen und flexible, digital gesteuerte Stromnutzungsmodelle zu entwickeln.
  • Wasserstoff wird die dritte Phase der Energiewende maßgeblich prägen: Einerseits ist er für Anwendungsgebiete notwendig, in denen keine rein elektrischen Lösungen absehbar sind – entweder direkt oder in Verbindung mit einer weiteren Umwandlung in synthetische Brenn- und Kraftstoffe. Andererseits kann Wasserstoff ergänzend zu Kurzzeitspeichern und Lastmanagement als Energiespeicher eingesetzt werden.
  • In der vierten und letzten Phase der Energiewende werden fossile Energieträger endgültig aus dem Energiesystem verdrängt. In Deutschland wird dies vermutlich nur machbar sein, wenn zusätzlich Strom oder aus regenerativen Quellen produzierte chemische Energieträger aus wind- und sonnenreichen Ländern importiert werden.


In Kürze

  • Strom aus regenerativen Quellen wird zum dominierenden Energieträger im Energiesystem. Der Strombedarf könnte sich bis 2050 nahezu verdoppeln. Als Folge müsste die Kapazität der Windkraft- und Photovoltaikanlagen auf ein Fünf- bis Siebenfaches anwachsen.
  • Technologien wie Elektroautos und Wärmepumpen, die Strom direkt und effizient nutzen, werden in Zukunft immer wichtiger. Doch auch synthetische Brenn- und Kraftstoffe sind voraussichtlich unverzichtbar.
  • Kurz- und Langzeitspeicher sowie flexible Stromnutzungsmodelle müssen künftig die volatile Stromerzeugung ausgleichen helfen. Auch Reservekapazitäten werden benötigt, um die Versorgung in „Dunkelflauten“ abzusichern. Ihr Umfang entspricht etwa dem heutigen konventionellen Kraftwerkspark.
  • Die Energiewende führt jährlich zu systemischen Mehrkosten in Höhe von ein bis zwei Prozent des deutschen Bruttoinlandsprodukts. Klug gesetzte Rahmenbedingungen sind wichtig, damit diese Kosten nicht noch weiter steigen.
  • Zentrales Steuerungselement ist ein einheitlicher, wirksamer CO2-Preis. Dieser kann erreicht werden, indem der europäische Emissionshandel auf alle Sektoren ausgeweitet und mit einem Mindestpreis beaufschlagt oder eine CO2-Steuer eingeführt wird.

Methode

Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben in der Arbeitsgruppe „Sektorkopplung“ unter Leitung von Eberhard Umbach und Hans-Martin Henning mitgewirkt. Basierend auf Expertendiskussionen, einem Vergleich relevanter Energieszenarien und eigenen Modellrechnungen hat die Arbeitsgruppe Schlüsselstellen des Energiesystems identifiziert, die Rolle einer zunehmenden Sektorkopplung für die Energieversorgung analysiert und daraus Handlungsoptionen für Deutschland abgeleitet.

Die Modellrechnungen wurden mit dem Simulations- und Optimierungsmodell REMod-D des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE durchgeführt. Insgesamt gab es sieben Rechenläufe mit unterschiedlichen Annahmen. Um herauszufinden, in welchem Ausmaß unterschiedliche CO2-Reduktionsziele die Entwicklung des Energiesystems beeinflussen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vier Berechnungen durchgeführt, denen Minderungsziele von 60 Prozent, 75 Prozent, 85 Prozent und 90 Prozent bis 2050 zugrunde lagen.

In den Rechenläufen fünf und sechs hat die Arbeitsgruppe untersucht, welchen Einfluss der vermehrte Einsatz von Wasserstoff oder synthetischen Brenn- und Kraftstoffen auf das Gesamtsystem hat. Dazu hat sie in beiden Rechenläufen ein CO2-Reduktionsziel von 85 Prozent festgelegt, wobei in Szenario fünf der Marktanteil von Wasserstofffahrzeugen bis 2050 auf 100 Prozent gesetzt wurden und Wasserstoff außerdem stärker zum Heizen genutzt wird. Im sechsten Rechenlauf wurden der Anteil von Wärmepumpen auf 40 Prozent und der Anteil von Elektrofahrzeugen auf 50 Prozent beschränkt, sodass Fahrzeuge hauptsächlich mit synthetischen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden.

In allen Modellrechnungen mit dem CO2-Minderungsziel von mindestens 85 Prozent erreicht die Kapazität an Windkraft- und Photovoltaikanlagen mindestens 500 Gigawatt, bis hin zur Obergrenze von 600 Gigawatt. Diese ergibt sich aus den begrenzt verfügbaren Flächen in Deutschland und ist entsprechend in dem Modellhinterlegt. Daher hat die Arbeitsgruppe in einer siebten Berechnung untersucht, welche Faktoren dazu beitragen können, den Ausbaubedarf der Erneuerbaren-Energieanlagen möglichst niedrig zu halten. Zu den untersuchten Faktoren zählen etwa Energieeinsparungen, eine verstärkte Nutzung der Solarthermie und ein erweiterter Stromaustausch mit Nachbarländern.

Energieträger

  • Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen wird zum dominierenden Energieträger. Ihn direkt zu nutzen, ist technisch gesehen oft effizienter und kostengünstiger als den Strom in Wasserstoff oder Methan umzuwandeln. So kann regenerativ erzeugter Strom beispielsweise Elektroautos oder Wärmepumpen antreiben.
  • Der gezielte Einsatz von Bioenergie, Solarthermie und Geothermie kann dazu beitragen, den Ausbau an Windkraft und Photovoltaik zu begrenzen und die gesellschaftliche Akzeptanz der Energiewende zu sichern.
  • Auch synthetische Brenn- und Kraftstoffe werden in Zukunft zu einem wichtigen Pfeiler des Energiesystems. Sie sind gut speicherbar und können zum Beispiel im Schiff- und Flugverkehr verwendet werden, wo rein elektrische Lösungen nur schwer oder gar nicht umsetzbar sind.
  • Wasserstoff kommt eine besondere Rolle zu, weil er viele Funktionen im Energiesystem einnehmen kann: Er kann in Industrieprozessen, zur Wärmeversorgung in Gebäuden oder als Kraftstoff im Verkehr eingesetzt, für die zeitversetzte Stromerzeugung genutzt oder in Methan beziehungsweise flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden.
  • Gas – natürliches Erdgas, Biogas und synthetische Gase – ist emissionsarm und vielseitig einsetzbar und könnte langfristig neben Strom zum zentralen Energieträger werden.

Sektoren

  • Weniger Energieverbrauch und emissionsärmere Technologien – mit diesen Stellschrauben kann die Wärmebereitstellung in Gebäuden klimafreundlicher werden. Bis 2050 sollte der Gebäudebestand saniert werden. Dazu müssten die Sanierungsquoten erhöht werden. Gleichzeitig gilt es, die spezifischen CO2-Emissionen der Heizungstechnologien auf etwa ein Drittel des heutigen Wertes zu senken. Neben elektrischen Wärmepumpen, die dabei eine Schlüsselfunktion einnehmen werden, bieten Gaswärmepumpen, Solarthermie und zentrale Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen hierfür wichtige Optionen. Wärmenetze werden eine wichtige Rolle spielen. Sie könnten knapp ein Drittel aller Gebäude mit Energie versorgen.
  • In der Industrie kann neben dem Einsatz von Biogas die Elektrifizierung von Wärmeprozessen dazu beitragen, die CO2-Emissionen zu senken. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt: Wärmepumpen sind oberhalb von etwa 200 Grad Celsius nicht einsetzbar und alternative Technologien wie Elektrodenheizkessel sind weniger effizient. Etliche Prozesse benötigen außerdem prozessbedingt chemische Brennstoffe. Hybridsysteme aus Strom und Gas können helfen, die Stromnutzung zu flexibilisieren. Nachteilig sind jedoch die hohen Investitionskosten für doppelte Infrastrukturen. Ein wichtiger Hebel, um Energieträger effizient zu nutzen, ist die Weiterverwendung von Abwärme, beispielsweise durch die Einspeisung in Wärmenetze.
  • Der Verkehrssektor bildet aktuell das Schlusslicht der Energiewende. Effiziente Antriebe und Kraftstoffe sowie der stärkere Einsatz erneuerbarer Energien sind entscheidende Ansätze, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, angetrieben mit Strom aus erneuerbaren Energien, werden für die Mobilität der Zukunft unverzichtbar. Hybrid-Fahrzeuge mit Elektro- und Verbrennungsmotoren können den Nachteil einer zu geringen Reichweite der Elektroautos umgehen. Im Schwerlast- und Fernverkehr zeichnen sich hingegen noch keine eindeutigen Lösungen ab. Wasserstoff, synthetisches Erdgas, synthetische Kraftstoffe oder elektrische Oberleitungen bieten aus heutiger Sicht mögliche Optionen. Diese Technologien sollten weiterentwickelt und in Pilotprojekten intensiv getestet werden.

Effizienz, Flexibilität und Versorgungssicherheit

Um den steigenden Strombedarf aus erneuerbaren Quellen zu decken, werden Windkraft- und Photovoltaikanlagen sehr stark ausgebaut werden müssen. Für eine klimaschonende Energieversorgung müsste die Kapazität gegenüber heute auf ein Fünf- bis Siebenfaches ansteigen. Maßnahmen zur effizienten Nutzung von Energie können helfen, diesen Ausbau zu begrenzen. Die im Erneuerbare-Energien-Gesetz 2017 vorgesehenen Fördermengen werden jedoch nicht ausreichen, um den künftigen Bedarf zu decken.

Kurz- und Langzeitspeicher sowie flexible Stromnutzungsmodelle werden benötigt, um die volatile Stromerzeugung zu glätten. Neben Pumpspeichern und Batterien, die Schwankungen für wenige Stunden abpuffern, werden flexible Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Wasserstoff an Bedeutung gewinnen. Als Langzeitspeicher kommt das Erdgasnetz mit den dazugehörigen Kavernen- und Porenspeichern infrage.

Um die Versorgung in allen Wetterlagen und zu allen Jahreszeiten zu sichern, kommt auch ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft nicht ohne Reservekapazitäten aus – mit voraussichtlich etwa 100 Gigawatt wird der Umfang etwa dem heutigen konventionellen Kraftwerkspark entsprechen. Dafür eignen sich emissionsarme Gaskraftwerke, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die mit Wasserstoff, Erdgas oder synthetischem Methan betrieben werden, oder Brennstoffzellen. Kohlekraftwerke spielen hingegen künftig keine Rolle mehr.

Da alle Kraftwerke im Energiesystem der Zukunft nur noch bei längeren „Dunkelflauten” betrieben werden, muss der Marktrahmen Geschäftsmodelle bieten, damit diese auch mit wenigen Betriebsstunden rentabel bleiben. 

Kosten des Umbaus

Durch den Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, die Einführung neuer Technologien und die notwendige Pufferkapazität wird das Stromsystem technisch wesentlich aufwändiger als heute. Im Vergleich zu einem auf fossilen Energieträgern basierenden Versorgungssystem führt die Energiewende daher zu beträchtlichen jährlichen Mehrkosten. Diese liegen bis zum Jahr 2050 – bei aller Unsicherheit, die naturgemäß bei derartigen Projektionen gegeben ist – im Mittel zwischen von ein bis zwei Prozent des deutschen Bruttoinlandsprodukts von 2016.

Dies beinhaltet Kosten für den technischen Umbau des Energiesystems, also etwa für den Auf- und Umbau sowie die Wartung der Infrastrukturen (wie Kraftwerke, Netze und Fahrzeugflotten) sowie Kosten für die Energieträger und die energetische Sanierung von Gebäuden. Nach dem Umbau des Energiesystems werden sich die Kosten reduzieren.

Politische Steuerung

Bisher haben es klimaschonende Technologien schwer, sich am Markt zu etablieren. So ist Strom beispielsweise mit höheren Abgaben, Umlagen und Steuern belastet als Erdgas und Heizöl. Damit die Sektorkopplung ihr volles Potenzial entfalten kann, müssen die Märkte für Strom, Wärme und Verkehr zusammenwachsen und gleiche Bedingungen für alle Energieträger bieten. Ein einheitlicher wirksamer CO2-Preis für alle Emissionen kann hierfür die zentrale Rolle spielen.

Eine Möglichkeit besteht darin, das europäische Emissionshandelssystem (EU ETS) auf alle Sektoren auszuweiten und einen Preiskorridor festzulegen. Gelingt dies nicht, könnte eine europaweite oder nationale CO2-Steuer eingeführt werden. Sie sollte dabei so ausgestaltet werden, dass sie das EU ETS sinnvoll ergänzt und gleichzeitig einen wirksamen Mindestpreis festsetzt. Mit einem Preiskorridor im ETS oder einer CO2-Steuer wäre die Entwicklung der CO2-Preise besser planbar und würde Unternehmen mehr Sicherheit geben, in klimafreundliche Technologien zu investieren. Ein weiterer Vorteil: Bisherige Umlagen, Abgaben und Steuern könnten durch einen sektorübergreifenden CO2-Preis teilweise ersetzt beziehungsweise abgebaut werden. Um auch international faire Wettbewerbsbedingungen zu schaffen, könnte auch an eine Besteuerung emissionsintensiver Importe gedacht werden.

Ein einheitlicher CO2-Preis ist jedoch kein Allheilmittel. In allen Bereichen des Energiesystems können Hemmnisse den Einsatz klimaneutraler Technologien verhindern. Um sie abzubauen, sind ergänzende Maßnahmen erforderlich. Neben finanziellen Anreizen wie Investitionszuschüssen, Steuererleichterungen, Marktanreizprogrammen und einer staatlichen Kofinanzierung von Infrastrukturen kann es sinnvoll sein, ordnungsrechtliche Vorgaben etwa zu Emissionsgrenzwerten und technischen Standards beizubehalten oder zu etablieren. Auch Forschungs- und Entwicklungsförderung oder Informations- und Beratungsangebote können helfen, neue Technologien in die Breite zu tragen.

Damit Marktakteure überhaupt in klimafreundliche Technologien investieren, brauchen sie Planungssicherheit. Voraussetzungen dafür sind eine Selbstverpflichtung der Politik zum Klimaschutz und das Vertrauen aller beteiligten Gruppen in die Verbindlichkeit der Klimaschutzziele sowie den langfristigen Bestand der CO2-Preise.

Phasen der Energiewende

  • In den vergangenen 25 bis 30 Jahren wurden Windkraft- und Photovoltaikanlagen, aber auch Biomassetechnologien entwickelt, ausgebaut und verbessert (erste Phase der Energiewende). Damit stehen die Basistechnologien für eine umfassende Systemintegration zur Verfügung.
  • Von nun an geht es in der zweiten Phase darum, Technologien der Sektorkopplung zu fördern und umzusetzen. Das heißt konkret, Strom überall dort direkt zu nutzen, wo es am effizientesten ist – etwa in Elektroautos und Wärmepumpen –, Batterien als Kurzzeitspeicher einzusetzen und flexible, digital gesteuerte Stromnutzungsmodelle zu entwickeln.
  • Wasserstoff wird die dritte Phase der Energiewende maßgeblich prägen: Einerseits ist er für Anwendungsgebiete notwendig, in denen keine rein elektrischen Lösungen absehbar sind – entweder direkt oder in Verbindung mit einer weiteren Umwandlung in synthetische Brenn- und Kraftstoffe. Andererseits kann Wasserstoff ergänzend zu Kurzzeitspeichern und Lastmanagement als Energiespeicher eingesetzt werden.
  • In der vierten und letzten Phase der Energiewende werden fossile Energieträger endgültig aus dem Energiesystem verdrängt. In Deutschland wird dies vermutlich nur machbar sein, wenn zusätzlich Strom oder aus regenerativen Quellen produzierte chemische Energieträger aus wind- und sonnenreichen Ländern importiert werden.


Infografik

AG-Leiter

Publikationen

Stellungnahme

Sektorkopplung - Optionen für die nächste Phase der Energiewende

Wie lassen sich fossile Brennstoffe aus dem Energiesystem verdrängen und die Klimaziele erreichen? Das Akademienprojekt ESYS hat basierend auf Expertendiskussion, einem Vergleich relevanter Energieszenarien und eigenen Modellrechnungen Handlungsoptionen in Deutschland entwickelt. Die Stellungnahme fasst die wichtigsten Ergebnisse zusammen.

Analyse

Sektorkopplung - Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems

Die Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr ist ein wichtiger Hebel, um fossile Energieträger weitestgehend aus dem Energiesystem zu verdrängen. Zu diesem Ergebnis kommt die Analyse des Akademienprojekts ESYS. Die Fachleute haben zunächst das bisherige Energiesystem untersucht und anschließend Entwicklungspfade für eine klimaschonende und sichere Energieversorgung bis 2050 skizziert.