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11 | 2015

Special Die

Special Die Energieversorgung Deutschlands Interaktion zwischen den Sektoren Strom und Wärme in Hinblick auf die Erreichung der Klimaschutzziele Langfristige Perspektiven in der Sektorkopplung Strom – Wärme WÄRMEWENDE | Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes „Interaktion EE-Strom-Wärme-Verkehr“ entstanden [1]. Darin werden energiesektorenübergreifende kostenoptimierte Szenarien entwickelt und Schlüsseltechnologien für eine erfolgreiche Energiewende identifiziert. Wie schon in der BWK-Ausgabe 7/8-2014 [2] beschrieben, stellen die aktuellen energie politischen und betriebswirtschaftlichen Rahmenbedingungen jedoch ein Hemmnis für die Umsetzung der volkswirtschaftlichen Zielszenarien dar. Hierzu werden Änderungs vorschläge des rechtlichen und förderpolitischen Rahmens vorgestellt, die eine Umsetzung der Technologien im Markt ermöglichen. Autoren M. Sc. Norman Gerhardt, Jahrgang 1981, studierte Erneuerbare Energien und Energieeffizienz an der Universität Kassel. Seit 2009 arbeitet er am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel und leitet die Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse. i norman.gerhardt@iwes.fraunhofer.de Dipl.-Ing. Fabian Sandau, Jahrgang 1986, studierte Energie- und Verfahrenstechnik an der TU Berlin. Seit 2013 arbeitet er am Fraunhofer IWES als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse. M. Sc. Patrick Schumacher, Jahrgang 1985, studierte Energietechnik an der FH Aachen und Erneuerbare Energien und Energieeffizienzsysteme an der Universität Kassel. Seit 2011 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe „Gebäude-Quartier-Stadt“ am Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) in Kassel. i patrick.schumacher@ibp.fraunhofer.de Ass. jur. Oliver Antoni, LL.M., Jahrgang 1974, studierte Rechtswissenschaften an den Universitäten Erlangen und Hannover sowie Umwelt- und Energierecht an der Leuphana Universität Lüneburg. Seit 2012 arbeitet er bei der Stiftung Umweltenergierecht in Würzburg, seit 2014 als Wissenschaftlicher Referent. i antoni@stiftung-umweltenergierecht.de Ass. jur. Katharina Merkel, Jahrgang 1983, studierte Rechtswissenschaften an der Universität Frankfurt sowie das Recht des Klimawandels und der nachhaltigen Entwicklung an der Universität Aberdeen, GB. Seit 2014 arbeitet sie als Wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Stiftung Umweltenergierecht in Würzburg. Effiziente Technologien wie beispielsweise Wärmepumpen könnten zukünftig verstärkt eingesetzt werden, um den Energieverbrauch zu verringern. Für die Erreichbarkeit der Klimaziele sind Wind und Photovoltaik (PV) die tragenden Säulen, da sie relativ kostengünstig mit hohem technischem Ausbaupotenzial verfügbar sind und auch zu einem großen Teil den sektorübergreifenden Strombedarf decken können. Im Projekt wurde untersucht, wie die Schnittstellen zwischen Stromsektor und dem gesamten Energieversorgungssystem ausgestaltet werden müssen. Es wurde bewertet, wie hoch der Strombedarf in einem kostenoptimierten sektorenübergreifenden Zielszenario sein könnte, wenn das klimapolitische Ziel einer Reduktion der Treibhausgase (THG) um 80 % bis zum Jahr 2050 erreicht werden soll. Die damit verbundenen Herausforderungen hinsichtlich der zeitlichen Vereinbarkeit von dargebotsabhängigem Stromangebot und nur teilweise flexibler Stromnachfrage werden unter den entstehenden Synergien und Rückkopplungen zwischen den Sektoren betrachtet. Als Zielszenario wurde am Fraunhofer IWES mittels eines Modells der sektorenübergreifenden Zubauoptimierung ein kostenminimales Energieversorgungssystem 2050 bestimmt. Nach einer vorgelagerten europäischen Betrachtung wurde mit einer stündlichen Auflösung und für ein Wetterjahr der investitions- und betriebskostenoptimale Technologiemix für das Gesamtenergiesystem Deutschland ermittelt. Dabei wurden hohe Anforderungen gestellt, da für das Ziel einer Reduktion der Treibhausgase um – 80 % gegenüber 1990 alle Emissionen berücksichtigt wurden – also auch Emissionen aus dem internationalen Verkehr, die derzeit kein Bestandteil des Kyoto-Protokolls sind. Zudem wurde als übergeordnetes Klimaziel die Reduktion der Emissionen um – 80 % in ganz Europa unterstellt (Ziel der EU). Aus einer europäischen Modellierung des Energiesystems ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Ausgangslage und zukünftigen Bild: Stiebel Eltron 12 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11

Die Energieversorgung Deutschlands Special Bild 1 Zeitlich aufgelöste Darstellung der Angebots- und Nachfragecharakteristik im Jahre 2050: Neue Verbraucher tragen deutlich dazu bei, die hohen auftretenden Leistungen durch die Photovoltaik-Einspeisung aufzunehmen. Wichtig ist dabei, die Informations- und Kommunikations- Technologien (IKT) und Anschlussbedingungen zu schaffen, um eine optimale Integration zu ermöglichen. Installierte Leistung [GW] Verfügbare Leistung [GW] 140 120 100 80 60 40 20 0 40 30 20 10 0 O:\Bilder\BWK\2015\11_2015\S‐BA8927 IWES_B2.docx Potenziale ein kostenoptimierter Lastenausgleich, der zu einer angestrebten THG-Reduktion von – 83 % für Deutschland führt. Zudem wurde unterstellt, dass im Zuge von globalem Bevölkerungswachstum und Nutzungskonkurrenz Biomasse nur restriktiv für energetische Zwecke genutzt werden kann (keine Importe, bestehende Anbaufläche von maximal 2 Mio. ha). In der Konsequenz resultiert hieraus ein hoher Strombedarf, um mittels Wind- und Solarenergie auch die Nachfragen im Wärme- und Verkehrssektor weitestgehend klimaneutral decken zu können. Eine detaillierte Beschreibung der verwendeten Modelle sowie des methodischen Vorgehens findet sich im Abschlussbericht des Projektes Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr [1]. Bild 2 Erzeugungsleistung (obere Grafik) und maximale flexible Nachfrage (untere Grafik) im Jahre 2050. Zielszenario 2050 Unter den darge - stellten Randbedin - gungen ergibt sich ein gegenüber heute deutlich gestiegener Strombedarf von rund 800 TWh, dessen Anstieg vor allem aus zusätzlichen Verbrauchern im Wärmesektor resultiert. In Bild 1 sind die Stromerzeugung und die Stromnachfrage für das Basisszenario dargestellt. Der Strombedarf wird hauptsächlich durch die fluktuierenden erneuerbaren Energieträger Wind und PV gedeckt. Die notwendige Erzeugungsflexibilität wird hauptsächlich durch KWK-Systeme sowie Pump- und Batteriespeicher bereitgestellt. Daraus resultieren ein hoher EE-Strom-Anteil von über 90 % und ein hoher Ausbaubedarf an fluktuierender erneuerbarer Erzeugungsleistung. Den hohen Erzeugungsleistungen steht allerdings eine Vielzahl flexibler und unflexibler Verbraucher gegenüber (Bild 2). Stromspeicher sowie PtH- und PtG-Technologien werden langfristig benötigt und nehmen bei weiter zunehmender Dekarbonisierung des Systems stark zu. Neben dem Verkehrssektor sorgen vor allem flexible PtH-Anwendungen dafür, dass die fluktuierende Stromerzeugung eingekoppelt werden kann. Durchdringung effizienter Wärmetechnologien Die Modellrechnungen zeigten, dass zur Erreichung des THG-Reduktionszieles unter den gegebenen Randbedingungen eine starke Elektrifizierung des Wärmesektors notwendig ist. Zum einen werden effiziente Technologien wie Wärmepumpen (WP) statt zum Beispiel Heizstäbe eingesetzt, um den bereits hohen Strombedarf nicht noch weiter zu erhöhen, da durch die weitgehende Elektrifizierung der Wärmebereitstellung der Flächenverbrauch für die hohen EE-Erzeugungsleistungen eine große Herausforderung darstellt. Zum anderen werden hoch flexible bivalente Systeme benötigt, um die fluktuierenden erneuerbaren Energien in das Stromsystem mit möglichst geringem Stromspeicherbedarf einbinden zu können. In Bild 3 ist der optimierte Technologiemix im Wärmesektor für das Basisszenario dargestellt. Im Einfamilienhaus kommt es zu einer sehr hohen Durchdringungsrate für Wärmepumpen, wobei durch technische Restriktionen ein Teil auf Luft-WP entfällt. Im Bereich der Mehrfamilienhäuser werden je nach Baualtersklasse neben Wärmepumpen auch komplexe bivalente Fern- oder Nahwärmesysteme eingesetzt, die teilweise mit Groß-WP kombiniert sind. Im Bereich der Gewerbeanwendungen werden die Wärmepumpen durch bivalente BHKW- Systeme (KWK + Heizpatrone) ergänzt. Im Hochtemperatursektor wird, wo möglich, auf Effizienz gesetzt. Bei Warmwasser unter 100 °C werden daher Groß-WP eingesetzt, bei Prozessdampf bis 500 °C KWK-Systeme mit Elektrodenkesseln und für Prozesswärme über 500 °C neben Biomasse und Gas auch vermehrt Strom. Variation der energetischen Sanierungstiefe Ein wesentlicher Faktor, der einen starken Einfluss auf das Design des zukünftigen Energiesystems hat, sind die Fortschritte, die im Bereich der Gebäudesanierung und -dämmung erreicht werden können. Das politische Ziel ist die Erhöhung der Sanierungsrate im Gebäudebestand auf 2 %/a und eine Reduktion des Wärmebedarfs um 20 % bis 2020 sowie BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11 13

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