Warum Sektorenkopplung?

Die Welt wird wärmer.

Die durchschnittliche Temperatur der Erdatmosphäre und der Meere ist in den vergangenen 150 Jahren schneller gestiegen als jemals in der jüngeren Geschichte unseres Planeten.

Wissenschaftler rechnen bei jetzigem Trend  mit einem Temperaturanstieg um vier bis fünf Grad Celsius im Vergleich zur vorindustriellen Zeiten – mit gravierenden Folgen für Mensch und Natur.

Wichtigste Ursache ist unsere Energieversorgung.
Denn bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl, und Erdgas werden Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid (CO2) frei.

Etwa 32 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalente stößt die Menschheit im Jahr aus, um sich mit Strom, Wärme und Antrieb zu versorgen.

Tendenz steigend.

196 Staaten der Welt haben daher im sogenannten Pariser Klimaabkommen vereinbart, den weltweiten Temperaturanstieg auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen, auch Deutschland.

Die Bundesregierung strebt bisher an, den Treibhausgasausstoß bis 2050 um 80-95 Prozent gegenüber 1990 zu senken.

Zur Umsetzung der Ziele des Pariser Klimaabkommens ist die untere Marke dabei schon zu wenig. Deutschland muss daher weitgehend klimaneutral werden - und dafür vor allem die Erzeugung, Verteilung und Verwendung von Energie grundlegend verändern.











Um den Klimaschutz voranzubringen, setzt Deutschland auf Energieeffizienz und Erneuerbare Energien. Durch Effizienz soll bis 2050 der Energieverbrauch gegenüber dem Niveau von 2008 halbiert werden. Den verbleibenden Bedarf müssen weitgehend Sonne, Wind, Biomasse & Co. decken.






Während Erneuerbare Energien im Stromsektor im Jahr 2017 mit rund 36 Prozent im Energiemix vertreten waren, machten sie nur 13 Prozent des Wärmeverbrauchs und lediglich fünf Prozent des Verbrauchs im Verkehrssektor aus.

Damit diese Ziele erreicht werden und die Energiewende gelingt, müssen alle drei Sektoren durch Erneuerbare Energien versorgt werden. Doch gerade im Wärme– und Verkehrsbereich reicht das Potenzial an alternativen Brennstoffen, insbesondere aus der Bioenergie, nicht aus, um den gesamten Bedarf zu decken.






Um wirklich alle fossilen Brennstoffe wie Gas, Kohle und Benzin zu ersetzen, muss Strom aus Erneuerbaren Energien auch für Verkehr und Wärme genutzt werden. Die Sektorenkopplung ist somit ein vielversprechender Lösungsweg für eine Dekarbonisierung unserer Energieerzeugung und unseres Energieverbrauchs.

Wärme aus Strom

Heizen mit Strom galt in Deutschland lange als ineffizient und teuer. Doch wenn künftig immer öfter ein Überangebot an Strom aus Solar-und Windenergie herrscht, kann dieser in klimafreundliche Wärme umgewandelt werden.





Bislang wird die Wärme aus Erneuerbaren Energien von der Bioenergie dominiert. Doch Biomasse wie Holz ist nur begrenzt nachhaltig verfügbar. Technologien wie Wärmepumpen und Power-to-Heat helfen indes, den Erneuerbaren Strom stärker im Wärmesektor nutzbar zu machen.

Wärmepumpen

Für Temperaturen bis 100 Grad Celsius, der sogenannten Niedertemperaturwärme, gelten elektrische Wärmepumpen als die Schlüsseltechnologie für die Integration von erneuerbarem Strom im Wärmesektor. Kleine Wärmepumpen kommen heute schon in Wohngebäuden als Heizung zum Einsatz. Der Strom treibt die Wärmpumpen an, die die Wärme aus verschiedene Quellen von Umgebungswärme nutzt: Luft, Grundwasser das Erdreich oder auch kommunale Abwässer.

1: Die Erde erwärmt kaltes Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit, die durch Sonde oder Kollektor strömen. Auch Grundwasser eignet sich als Wärmequelle. In 20 Meter Tiefe sind jahreszeitenunabhängig 10-13 Grad verfügbar.

2: Eine Wärmepumpe entzieht der Flüssigkeit die Wärme. Durch Verdichtung entstehen höhere Temperaturen. Wärmepumpen beruhen auf dem gleichen Prinzip wie Kühlschränke.

3: Die Erdwärme steht zum Heizen und zur Warmwasserbereitung zur Verfügung. In einem Warmwasserspeicher oder einem größeren Pufferspeicher kann die Wärme über mehrere Stunden gespeichert werden.





Erdwärme wird entweder mit großen Kollektoren A in der Nähe der Oberfläche gewonnen, mit einer Erdwärmesonde B aus großer Tiefe gefördert oder dem Grundwasser entzogen C.





Große Wärmepumpen können auch ganze Siedlungen und Stadtteile über ein Wärmenetz mit Wärme zum Heizen und Duschen versorgen. Hierzu zapfen sie auch Wärmequellen wie industrielle Abwärme an. Häufig werden sie auch mit weiteren Wärmequellen wie Solarthermie kombiniert.




Im bayerischen Dollstein etwa werden große und kleine Wärmepumpen mit Solarenergie zu einem intelligenten Wärmenetz kombiniert.

Power-To-Heat

Wenn Wind- oder Solarstromanlagen zeitweise so viel Strom produzieren, dass sie mangels Abnehmern abgeregelt werden müssten, können sogenannte Power-to-Heat-Anlagen das Überangebot in Wärme umwandeln.

Für größere Anwendungen eigenen sich Elektrodenkessel. Sie ermöglichen sehr hohe Wärmeleistungen von vielen Megawatt und können auch Dampf von mehreren hundert Grad Celsius für Industrielle Prozesse liefern.

Besonders geeignet sind sie auch für Fernwärmenetze. Sie nutzen das Strom-Überangebot aus Wind- und Solarenergie, um Wasser zu erhitzen. Dieses kann dann gespeichert und bei Bedarf in das Wärmenetz gespeist werden, um Haushalte und Gewerbe mit Heizwärme und Warmwasser zu versorgen. So ergänzt Power-to-Heat vorhandene Wärmequellen, um auch die Wärmeversorgung in Großstädten klimafreundlich zu gestalten. Diese hängt bislang stark von fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Kohle ab.

In kleinen und mittleren Anwendungen erwärmen einfache Heizstäbe oder Elektrokessel, die nach dem Prinzip von Tauchsiedern funktionieren, Wasser, um damit einzelne Gebäude oder Schwimmbäder zu beheizen.



Die Stadtwerke Flensburg zum Beispiel nutzen einen Elektrodenkessel, der bei einem Windstrom-Überangebot – an der Küste durchaus häufig – anspringt und das dortige Fernwärmenetz mit klimafreundlicher Wärme versorgt. Dadurch wird ein alter Heizkessel auf Ölbasis ersetzt. 

Mobilität aus Strom

Der Straßenverkehr ist in Deutschland die dominierende Form der Fortbewegung. Doch auf der Straße sind Erneuerbare Energien bislang eine Randerscheinung.




Lediglich fünf Prozent des Endenergieverbrauches im deutschen Verkehrssektor sind erneuerbar, ganz überwiegend aus dem Benzin und Diesel beigemischten Biokraftstoffen. Die Elektromobilität eröffnet hier einen riesigen Spielraum für den Klimaschutz.

Die meisten Wege führen in Deutschland über die Straße. Gemessen an der Verkehrsleistung entfallen dreiviertel der gefahrenen Wege in Deutschland auf den motorisierten Individualverkehr, also Pkw, Motorrad und Roller. Auch der Güterverkehr rollt zu über 70 Prozent per Lkw durch das Land. Dies führt nicht nur zu Staus und schlechter Luft, sondern auch zu erheblichen Treibhausgasemissionen. Diese stammen im Verkehrsbereich zu etwa 80 Prozent aus dem Straßenverkehr.

Zwar sollten Wege im Idealfall auf öffentliche Verkehrsmittel verlagert oder überhaupt vermieden werden, für einen klimafreundlichen Verkehrssektor ist die stärkere Nutzung von erneuerbarem Strom im Straßenverkehr jedoch unerlässlich.

Batterielektrische Fahrzeuge, also Elektroautos, sind hierfür nicht nur die nächstliegende Alternative, sondern eröffnen für Stromanbieter wie Stadtwerke ein neues Geschäftsfeld. So sind diese einerseits Abnehmer des Stroms (über eine eigene Ladeinfrastruktur), andererseits dienen ihre Batterien zu Standzeiten als Speicher, um ein zeitweises Überangebot an Strom aus Wind oder Sonne aufzunehmen.

Power-to-Gas

In einigen Anwendungsbereichen stößt die direkte Nutzung von Strom für Wärme oder Verkehr an Grenzen.




Für industrielle Prozesse können Temperaturen von 1000 Grad Celsius und mehr nötig sein, die weder per Wärmepumpe noch durch Power-to-Heat-Anlagen erreicht werden. Auch sind batterieelektrische Antriebe für Flugzeuge und im Schiffsverkehr sehr begrenzt.

Hier können künftig synthetische Brenn- und Kraftstoffe helfen, die nach dem Power-to-X-Prinzip hergestellt werden. Bei einem Überangebot von Strom aus Sonne und Wind wir der Strom genutzt, um Wasser per Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten.

Der Wasserstoff kann dann direkt oder zu Methan bzw. flüssigem Kraftstoff weiterverarbeitet fossile Brenn- und Kraftstoffe wie Erdgas, Benzin oder Kerosin ersetzen. Es kann ins Gasnetz eingespeist werden, für industrielle Prozesse verbrannt, oder als Kraftstoff im Verkehrsbereich zum Einsatz kommen.

Der energetische Wirkungsgrad stromgenerierter Kraftstoffe ist jedoch sehr viel geringer als die direkte Stromnutzung. Aufgrund ihrer energieintensiven Herstellung sind stromgenerierte synthetische Brennstoffe außerdem nur bei (nahezu) vollständiger Strombereitstellung aus Erneuerbaren Energien treibhausgasneutral.

Sie sollten daher nur zum Einsatz kommen, wenn keine anderen Optionen zur Substitution fossiler Energieträger zur Verfügung stehen.



In Prenzlau kehrt die Zukunft mit dem dortigen Hybridkraftwerk ein Stück weit ein. Windenergieanlagen liefern dort Strom für den Power-to-Gas-Prozess. Der entstandene Wasserstoff wird für ein Nahwärmenetz und für eine Wasserstofftankstelle bereitgestellt und wird zudem ins Erdgasnetz eingespeist.

Für eine flexible Stromversorgung!

Durch Sektorenkopplung profitieren nicht nur der Wärme- und Verkehrssektor vom erneuerbaren Strom. Auch ein auf Erneuerbare Energien basierendes Stromsystem benötigt Flexibilitäten, die durch Sektorenkopplung zustande kommen.

Das deutsche Stromsystem wird künftig durch wetterabhängige Erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie dominiert.




In Stunden mit viel Sonne und Wind kommt es daher dazu, dass das Angebot an Strom die Nachfrage übersteigt. Um das Stromnetz dennoch stabil zu halten, müssten immer öfter Wind- und solarstromanlagen abgeregelt werden.



Durch Wärmepumpen, Elektrodenkessel, batterieelektrische Mobilität und stromgenerierte Kraftstoffe stehen zusätzliche steuerbare Verbraucher bereit.



Sie sind in den Phasen verfügbar, in denen der Stromverbrauch niedriger ist als die ins Netz eingespeiste Menge aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien. Anstatt die Erzeugungsanlagen abzuregeln, kann der Strom dann in anderen Verbrauchssektoren genutzt und die Netzstabilität gesichert werden.

Die Sektorenkopplung kann aber auch als Speicher für das Stromsystem in Situationen dienen, in denen die erneuerbare Erzeugung geringer als der Verbrauch ist. Stromgenerierte Kraft- bzw. Brennstoffe können zum Teil (Wasserstoff) oder komplett (synthetisches Methan) im Gasnetz gespeichert und im Wärme- und Verkehrssektor sowie zur Rückverstromung genutzt werden.

Die bereits vorhandene Gasinfrastruktur ist hier ein großer Vorteil.












Was nun getan werden muss

Technologisch sind für das Zusammenspiel der drei Sektoren Strom, Wärme und Verkehr schon viele Zutaten vorhanden. Das zeigen unter anderem die bereits im Betrieb befindlichen Projekte in deutschen Kommunen.

Gleichzeitig stellen die Komplexität der Vorhaben und der damit verbundenen intelligenten Steuerung eine große Herausforderung dar, die noch weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf nach sich zieht.

Sehr deutlicher Handlungsbedarf zeigt sich auch bei der Anpassung der rechtlichen Rahmenbedingungen. Das bisherige Abgabensystem (Steuern, Netznutzungsentgelte, Umlagen) bremst die Nutzung von erneuerbarem Strom in anderen Sektoren. Hier muss der Zugang für den Strom deutlich vereinfacht werden, damit sich noch mehr Akteure, insbesondere auf der kommunalen Ebene, intensiver mit den Optionen der Sektorenkopplung auseinandersetzen und diese als lohnend ansehen.

Aktuell ist erneuerbarer Strom im Vergleich zu anderen Energieträgern überproportional stark durch Steuern und Abgaben belastet. Nur über eine deutliche Reduktion der Stromkosten, verbunden mit einem Preisanstieg für klimaschädliche fossile Technologien, können Anwendungen im Bereich der Strom-Wärme-Kopplung breitenwirksam etabliert werden.

Für ein regeneratives Stromversorgungssystem braucht es einen angepassten verlässlichen rechtlichen Rahmen, der die betriebswirtschaftlichen Investitionen und Betriebsstrategien aller Akteure mobilisiert. Zusammen mit entsprechenden Lernkurven und Kostendegression kann dann eine Breitenwirksamkeit der Sektorenkopplung erreicht werden.

Das Forum Synergiewende trägt durch die Vernetzung der verschiedenen Akteure dazu bei, notwendige Diskussionen anzustoßen, zu verstetigen und die Praxiserfahrungen der Kommunen in die Landes- und Bundespolitik zu spiegeln.