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Sektorkopplung in der Energiebranche – Wo steht Deutschland?

Die Sektorkopplung ist in aller Munde. Die Bereiche Strom, Wärme und Verkehr sollen zukünftig gemeinsam optimiert und bewertet werden. Doch was heißt das genau? Im Folgenden werden die wichtigsten Zusammenhänge erklärt.

Windrad
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Werden die Sektoren Verkehr, Wärme und Strom durch infrastrukturelle Maßnahmen und speicherbare Energieträger verknüpft, spricht man von Sektorkopplung. Sie spiegelt eine tiefgreifende Veränderung im Energiesystem wider. Vorrangige Motivation ist es, die Sektoren Wärme und Verkehr durch erneuerbare Energieträger zu dekarbonisieren, um die Klimaschutzziele zu erreichen.

Erneuerbar erzeugter Strom kann direkt verwendet werden oder nachdem er in andere Energieträger oder -formen umgewandelt ist.  Zwei Beispiele: Elektrisch betriebene Wärmepumpen, die den Strom- und den Wärmesektor koppeln oder Elektroautos, die den Strom- und den Verkehrssektor verbinden.

Eine reine Elektrifizierung der Sektoren Wärme und Verkehr ist mit der Sektorkopplung dennoch nicht gemeint. Die sinnvolle Nutzung verschiedener Energieträger für die jeweiligen Bedarfe in den Sektoren steht im Vordergrund. Dazu zählt die Umwandlung von erneuerbaren Strom in einen stofflichen Energieträger und dessen Nutzung für Hochtemperaturanwendungen in der Industrie. Abbildung 1 definiert schematisch Komponenten und wichtige Aspekte der Sektorkopplung. Verbraucher in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD), Haushalten und im Verkehr nutzen Energieträger mit möglichst hoher Effizienz und  unter Einbindung von Infrastrukturen.

Abbildung 1: Definition der Sektorkopplung

Abbildung 1: Definition der Sektorkopplung

Dies kann zumindest kurz- und mittelfristig bedeuten, dass fossile Energieträger in effiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) zu Strom und Wärme umgewandelt werden. Es schließt aber ebenso die Erzeugung von synthetischem Erdgas durch Elektrolyse nicht aus. Der CO2-Ausstoß soll reduziert werden. Dafür ist es maßgeblich, die Energieumwandlung zwischen den Sektorgrenzen so effizient wie möglich zu gestalten und vermehrt erneuerbare Energieträger zu nutzen.

Welche Energieträger werden in welchen Sektoren genutzt?

Abbildung 2 stellt die Endenergieverbräuche und die Bereitstellung durch die jeweiligen Energieträger im Jahr 2015 für Deutschland dar. Damit kann man die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr einschätzen.  Mit über 1300 TWh ist der Endenergiebedarf im Wärmesektor etwa genauso groß, wie der der Strom- und Verkehrssektoren zusammen.

Abbildung 2: Endenergieverbrauch in den Sektoren Wärme, Verkehr und Strom nach Energieträgern für Deutschland in 2015 (Datenquelle: BMWi)

Abbildung 2: Endenergieverbrauch in den Sektoren Wärme, Verkehr und Strom nach Energieträgern für Deutschland in 2015 (Datenquelle: BMWi)

Gleichzeitig hat Gas den größten Anteil im Wärmesektor. Im Verkehrssektor wird derzeit knapp 95 Prozent des Endenergiebedarfs durch Öl gedeckt. Der Stromsektor ist sehr heterogen, wobei etwas mehr als ein Drittel aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird.

Sollen erneuerbarer Energien zur Dekarbonisierung des Energieverbrauchs eingesetzt werden, so kann dies durch direkte Nutzung in den Sektoren geschehen (Solarthermie im Wärmesektor, Biokraftstoffe im Verkehrssektor, Wind- und PV im Stromsektor). In manchen Fällen ist der Weg über eine direkte oder indirekte Elektrifizierung dennoch der effizientere Weg.

Welche Technologien stehen hierfür zur Verfügung?

Neben der direkten Elektrifizierung im Wärme- und Verkehrssektor, etwa über Wärmepumpen oder batteriebetriebene Elektroautos, kann Strom auch indirekt durch Umwandlung nutzbar gemacht werden. Dies erfolgt mit Technologien wie etwa Power-to-Heat (PtH) oder Power-to-Gas-Anlagen (PtG). Abbildung 3 zeigt Standorte von in Deutschland installierten PtH und PtG-Anlagen.

Elektroheizkessel, sowie auch Wärmepumpen sind Beispiele für verschiedene PtH-Anlagetypen. Dort wird Strom verwendet um Wärme bereitzustellen. Eine Umwandlung von Strom in Wasserstoff (und Sauerstoff) erfolgt mittels Elektrolyse in PtG-Anlagen. Der Wasserstoff kann entweder direkt oder nach Methanisierung als synthetisches Gas verwendet werden. Der entstandene Wasserstoff oder synthetisches Gas ist nun wiederum nutzbar im Verkehrs- oder Wärmesektor. Die chemische Industrie verwendet Wasserstoff auch als Grundstoff für diverse Prozesse.

Standorte von PtH- und PtG-Anlagen in Deutschland (Stand Dez 2017)

Abbildung 3: Standorte von PtH- und PtG-Anlagen in Deutschland (Stand Dezember 2017)

Allerdings können PtH und PtG-Anlagen auch Flexibilität für den Stromsektor bieten. Wird viel Strom aus Wind- und Solarenergieanlagen erzeugt, kann er dort sinnvoll verwenet werden, ohne dass erneuerbarer Strom abgeregelt werden muss. Überschüssiger oder nicht transportierbarer Strom kann in Gas umgewandelt werden. Er ist so gespeichert und kann über die Gasinfrastruktur wieder nutzbar gemacht werden.

Wo liegen Herausforderungen und Chancen?

Herausforderungen liegen derzeit vor allem in der Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff bzw. synthetischem Gas aus PtH/PtG-Anlagen gegenüber fossiler Brennstoffe. Letztere werden im Verkehrs-und Wärmesektor genutzt. Derzeit ist der Einsatz von Strom viel teurer als fossile Brennstoffe zu verwenden. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass fossile Brennstoffe in der direkten stofflichen Nutzung billiger sind als Strom. Unterschiedliche Belastungen von Strom und fossilen Brennstoffen durch Umlagen und Entgelte sind hierfür hauptverantwortlich. Damit steigen auch bei der Wasserstoff- bzw. Gaserzeugung  in einer PtH/PtG-Anlage die Kosten.

Abbildung 4 zeigt die Diskrepanz, die durch staatliche Abgaben, Umlagen und Entgelte auf die Kosten verschiedener Energieträger wirkt. Eine tiefgehende Analyse dieser Ungleichgewichte ist in einer Studie von Agora Energiewende zu finden.

Abbildung 4: Abgaben- und Umlagenbelastung verschiedener Energieträger in Deutschland (Stand Dez 2017)

Abbildung 4: Abgaben- und Umlagenbelastung verschiedener Energieträger in Deutschland (Stand Dezember 2017)

Sektorkopplung ist nur dann ökologisch sinnvoll, wenn weniger CO2-intensiver Strom in den anderen Sektoren verwendet wird. Soll erneuerbar erzeugter Strom durch Technologien auch im Verkehrs- und Wärmesektor genutzt werden, muss von einer höheren Stromnachfrage ausgegangen werden. Im Umkehrschluss: Mehr Sektorkopplung bedeutet mehr Stromnachfrage, und erfordert auch einen stärkeren Ausbau CO2-freier Stromerzeugung.

Dies heißt zudem, dass größere Effizienzsteigerung und Energieeinsparmaßnahmen den Stromverbrauch in den anderen Sektoren reduzieren können und müssen. Daraus resultieren geringere Kosten für den Ausbau von Stromerzeugungskapazitäten.

Erfahren Sie mehr über Sektorkopplung und Elektrifizierung in unserem Seminar im Mai 2018. Diskutiert werden technische und wirtschaftliche Bedingungen, sowie auch aktuelle regulatorische Änderungen.

 

2 Kommentare

  1. Martin Dörhage

    1. Februar 2018

    Ich wüsste gerne, wie weit die Technik und die Wirtschaftlichkeit bei der Umwandlung von (Überschuss-) Strom in flüssige Kraftstoffe gediehen sind.

    • Rahel Jotzo

      12. Februar 2018

      Die technischen Möglichkeiten zur Umwandlung von Strom in flüssige Kraftstoffe sind in vielen Fällen schon reif für großtechnische Anwendungen. Insbesondere in der chemischen Industrie ist die Umwandlung von Gasen zu Flüssigkeiten seit Jahren bekannt. Allerdings fehlen derzeit noch Prozesse und Anlagen, die die gesamte Umwandlungskette von Strom zu oft gasförmigen Stoffen über die Fischer-Tropsch-Reaktion, hin zu synthetischen flüssigen Kraftstoffen bedienen. Dies liegt insbesondere an der fehlenden Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Strom zur Umwandlung. Hohe Abgaben auf Strom (Netzentgelte, EEG-Umlage, und weitere) machen die Bezugskosten von Strom gegenüber Erdgas zur Umwandlung oder gar reine Verwendung von Erdöl, um Größenordnungen teurer.

      Interessante Veröffentlichungen zu diesem Thema gibt es vom Umweltbundesamt:
      Titel : “Power-to-Liquids: Potentials and Perspectives for the Future Supply of Renewable Aviation Fuel” oder “Integration von Power to Gas/Power to Liquid in den laufenden Transformationsprozess”.

      Freundliche Grüße

      Simon Göß
      Expert

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