Sektorenkopplung

Grundidee und Bedeutung

Sektorenkopplung bezeichnet die Vernetzung der Bereiche Elektrizität, Wärme beziehungsweise Kälte, Verkehr und Industrie. Auch der nicht-energetische Verbrauch fossiler Rohstoffe, vor allem in der Chemie, wird einbezogen. Statt jeden Sektor getrennt zu optimieren, werden Energieerzeugung, -umwandlung, -speicherung und -verbrauch gemeinsam betrachtet. Ein solches sektorgekoppeltes Energiesystem heißt auch Hybridnetz; ein über mehrere Energieinfrastrukturen integriertes und ganzheitlich optimiertes System wird als Smart Energy System bezeichnet.

Ausgangspunkt und Kern ist der Stromsektor: Er soll erneuerbare elektrische Energie bereitstellen, die auch Wärme, Verkehr und Industrie dekarbonisiert, also deren Treibhausgasemissionen bis auf null reduziert. Sektorenkopplung gilt deshalb als Schlüsselkonzept der Energiewende und für Energiesysteme mit 100 % erneuerbaren Energien. Es besteht weitgehender Konsens, dass sie notwendig ist, um die Energiewende umzusetzen und die Klimaschutzziele zu erfüllen.

Das Konzept hat drei Hauptvorteile:

• Erneuerbare Energie kann zur Dekarbonisierung aller Wirtschaftssektoren eingesetzt werden.
• Effiziente Technologien wie Wärmepumpenheizungen, Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) und Elektroautos können den gesamten Energieverbrauch deutlich senken.
• Speicher außerhalb des Stromsektors und eine flexible Stromnachfrage können Schwankungen von Wind- und Solarenergie ausgleichen. Solche Lösungen wirken als funktionale Stromspeicher und verringern den Bedarf an teuren elektrischen Speichern. Zugleich steigt die Energiesicherheit.

Elektrifizierung als Grundstrategie

Windenergie und Solarenergie, die wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, eignen sich deutlich besser zur Stromerzeugung als zur direkten Herstellung von Kraftstoffen und Wärme. In Staaten wie Deutschland sind außerdem die Potenziale von Bioenergie, Geothermie und Solarthermie begrenzt. Deshalb soll der Großteil der Energie durch Windkraft- und Photovoltaikanlagen erzeugt und insbesondere der Wärme- und Verkehrssektor auf Ökostrom umgestellt werden.

Der daraus abgeleitete Strategiepfad verbindet den schnellen Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung mit dem parallelen Ausbau von Wärmepumpenheizungen und Elektromobilität. Wärmepumpen und Elektroautos können als flexibel zuschaltbare Lasten betrieben werden: Sie verbrauchen Strom bevorzugt dann, wenn viel davon verfügbar ist. Schon beim gegenwärtigen Strommix verringert ihr Einsatz anstelle fossiler Heizungen und Fahrzeuge in fast jeder Region der Welt die Kohlenstoffdioxidemissionen.

In der Forschung wird zunehmend angenommen, dass die Dekarbonisierung der Stromerzeugung mit anschließender Elektrifizierung nahezu aller Energiesektoren die günstigste Lösung für ein nachhaltiges und klimafreundliches Energiesystem ist. Auch der IPCC bezeichnet in seinem Sonderbericht zur globalen Erwärmung um 1,5 °C die Verbindung aus einem dekarbonisierten Stromsektor und der Elektrifizierung der Endverbraucher als wichtigstes Mittel zur Dekarbonisierung anderer Verbrauchssektoren. In einer Delphi-Studie erwarteten drei Viertel der befragten Fachleute für das Jahr 2040 eine All Electric Society, in der Wärme, Verkehr und Industrie hauptsächlich mit erneuerbar erzeugtem Strom versorgt werden.

Flexibilität, Speicher und Effizienz

Sektorenkopplung hilft, das schwankende Angebot von Wind- und Solarenergie auszugleichen. Überschüssiger Strom kann beispielsweise als Wärme, Kälte oder synthetischer Brennstoff genutzt und gespeichert werden. Dadurch müssen Schwankungen nicht allein im Stromsektor ausgeglichen werden, und der Bedarf an elektrischen Speichern sinkt.

Wärme-, Gas- und Treibstoffspeicher haben um Größenordnungen niedrigere Investitionskosten als Stromspeicher. Bei gleicher Speicherkapazität liegen die Investitionskosten von Wärmespeichern beispielsweise etwa um den Faktor 100 niedriger. Eine spätere Rückverstromung wäre teilweise mit sehr niedrigen Wirkungsgraden verbunden, ist aber meist gar nicht vorgesehen. Im Mittelpunkt steht vielmehr ein sektorenübergreifendes Lastmanagement: Verbrauch wird zeitlich an die Stromerzeugung angepasst. Dieses kann als funktionaler Stromspeicher dieselben Ausgleichsaufgaben wie ein echter Stromspeicher übernehmen und ist fast immer günstiger als konventionelle Energiespeicherung. Deshalb soll es aus Kostengründen vorrangig eingesetzt werden.

Besonders wichtig ist die Kopplung von Strom und Wärme durch Wärmepumpen, die als effizienteste Form der Strom-Wärme-Kopplung gelten. Großwärmepumpen in Fernwärmesystemen können die Energieeffizienz der Wärmenetze erhöhen. Zusätzlich können regelbare Elektrodenkessel, Heizstäbe und Elektroboiler Strom in Wärme umwandeln. Zusammen mit Wärmespeichern schaffen diese Techniken eine günstige, variable Stromnachfrage.

Reicht die wetterabhängige Stromerzeugung nicht aus, können gespeicherte Gase durch Kraft-Wärme-Kopplung rückverstromt werden. Dabei entstehen zugleich Strom und nutzbare Wärme. Die Verbindung der Gas-, Wärme- und Strominfrastrukturen bildet eine Energiedrehscheibe, auch Energy Hub genannt. Für kalte Dunkelflauten, also längere kalte Zeiten mit wenig Wind- und Solarstrom, wird unter anderem die Speicherung von Synthesegas als mögliche Lösung genannt.

In der ersten Phase der Energiewende stand die klimaneutrale Stromerzeugung im Mittelpunkt. In der zweiten Phase soll das gesamte Energiesystem betrachtet werden, einschließlich intelligenter Anreize zur Nutzung von Stromspitzen und des Lastmanagements auf Verbraucherseite. In Deutschland wird dadurch zwar ein höherer Stromverbrauch erwartet, der Primärenergiebedarf soll wegen erneuerbarer Quellen und höherer Effizienz jedoch zurückgehen. Laut einer Studie der Deutschen Energie-Agentur ist bis 2050 ein Nettozubau erneuerbarer Energien von durchschnittlich bis zu 8,5 Gigawatt pro Jahr erforderlich.

Räumlicher und jahreszeitlicher Ausgleich

Der Bedarf an zusätzlichen Stromtrassen hängt davon ab, ob nur der Stromsektor oder das Zusammenspiel von Strom, Wärme und Verkehr betrachtet wird. Im Winter ist der Energiebedarf wegen des Heizens wesentlich höher. Daher können Erzeugungskapazitäten so ausgelegt werden, dass im Sommer ein Überangebot entsteht, das in Langzeitspeichern für den Winter aufbewahrt wird.

Die Energieträger haben dabei unterschiedliche Eigenschaften: Strom lässt sich relativ einfach transportieren, aber nur teuer speichern. Wärme ist über längere Entfernungen schwer zu transportieren, lässt sich jedoch einfach speichern. Strom kann leicht in Wärme umgewandelt werden; die Umwandlung von Wärme zurück in Strom ist deutlich aufwendiger. Durch diese Unterschiede können sich die Sektoren ergänzen.

Technische Verbindungselemente

Die wesentlichen Maßnahmen sind die direkte Elektrifizierung und, wenn diese nicht möglich ist, die Vernetzung durch Power-to-X-Technologien. Power-to-X bezeichnet Verfahren, die elektrischen Strom in andere Energieformen oder Stoffe umwandeln.

• Power-to-Gas erzeugt durch Elektrolyse aus erneuerbarem Überschussstrom Wasserstoff. Elektrolyse ist die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Durch eine anschließende Methanisierung kann erneuerbares Erdgas entstehen, indem Wasserstoff an Kohlenstoffatome angelagert wird. Die Technik verbindet Strom- und Gasinfrastruktur und schafft zusätzliche Flexibilität. Anlagen nahe den Erzeugungsschwerpunkten erneuerbaren Stroms können unter bestimmten Umständen durch Gastransport den Bau neuer Stromtrassen reduzieren.
• Power-to-Heat nutzt überschüssigen Strom für Wärme, etwa durch regelbare Heizelemente in örtlichen Wärmespeichern, in Fernwärmesystemen oder durch das Zuschalten von Wärmepumpen.
• Power-to-Liquid stellt über grünen Wasserstoff flüssige Treibstoffe, Grundchemikalien wie Methanol oder synthetische Kohlenwasserstoffe wie Dimethylester und Kerosin her. Klimaneutral produzierte Treibstoffe können preiswert über Ländergrenzen hinweg transportiert und in schwer elektrifizierbaren Bereichen wie Flugverkehr, Schifffahrt und Schwerlasttransport eingesetzt werden.
• Power-to-Mobility verwendet Überschussstrom zum Laden von Elektrofahrzeugen. Alternativ können Methan aus Power-to-Gas-Prozessen oder Wasserstoff Gas- beziehungsweise Wasserstoffantriebe versorgen.
• Power-to-Chemicals nutzt Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Herstellung von Grundchemikalien für chemische Produkte.

Für den Verkehrssektor werden neben Elektromobilität auch synthetische Kraftstoffe diskutiert.

Ergänzende Ausgleichstechniken

Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet die gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärme, etwa in Heizkraftwerken, Blockheizkraftwerken oder Brennstoffzellen. Solche Anlagen können mit erneuerbarem Gas betrieben werden. Sie liefern elektrische Energie zur Deckung einer positiven Restlast, also des Strombedarfs, der nach Nutzung der wetterabhängigen Erzeugung noch verbleibt, und versorgen gleichzeitig Wärmeverbraucher oder Wärmespeicher.

Verschiedene Speicher decken unterschiedliche Zeiträume ab: Batteriespeicherkraftwerke können kurz- bis mittelfristige Schwankungen im Stromnetz ausgleichen. Gasspeicher und Gaskraftwerke eignen sich für mittel- bis langfristige Schwankungen. Das koordinierte Zusammenspiel dieser Techniken, der Power-to-X-Verfahren und flexibler Verbraucher ermöglicht die gemeinsame Optimierung der Sektoren.