Sektorenkopplung – Energetisch-nachhaltige Wirtschaft der Zukunft

Der Einsatz von mechanischer und dann elektrischer Energie bei der Produktion von Gütern hatte einen erheblichen Einfluss auf den Lebenskomfort der Menschen. Die Lebenserwartung ist seit Beginn des 20. Jahrhunderts erheblich gestiegen und mit ihr die Zahl der auf der Erde lebenden Personen. Es gibt jedoch weiterhin erhebliche Unterschiede im Pro-Kopf-Energieverbrauch zwischen Industrie- und Entwicklungsländern, was zu einem immer noch hohen Anstieg an Treibhausgasemissionen führt. In diesem Kapitel werden auf der Grundlage einer Ist-Analyse die Szenarien zukünftiger Entwicklung des Energieverbrauchs vorgestellt und diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der nachhaltigen Entwicklung des gesamten Energiesystems der Zukunft. Ausgehend von den Beispielen aus Deutschland, wo die Energiewende seit 30 Jahren vorangetrieben wird, und aus der EU werden die möglichen Entwicklungen bis 2050 skizziert und ausführlich diskutiert. Die nationalen und internationalen Pläne gehen davon aus, dass die Emissionen deutlich reduziert werden müssen, um den Klimawandel abzuschwächen. In diesem Zusammenhang ist bis zum Jahr 2050 ein emissionsfreies Energiesystem erforderlich. Die möglichen Wege dorthin werden in diesem Kapitel skizziert. Die erfolgreiche Umsetzung der Sektorenkopplung wird bei der Erreichung dieser Ziele eine wichtige Rolle spielen.

Eine methodische Herangehensweise an die Planung erfordert die Abbildung der Planungsaufgabe auf der Modellebene. Damit lassen sich die Konzepte mathematisch beschreiben und in einem Simulationspfad überprüfen. Zu diesem Zweck wird in diesem Kapitel zunächst ein Energie-Hub-Modell vorgestellt. Dieses ermöglicht die systematische Beschreibung der multimedialen Energiesysteme auf verschiedenen Ebenen. Wie eine solche Beschreibung entwickelt werden kann, wird anhand eines Beispiels erläutert. Im Folgenden wird das Vorgehen bei der konzeptionellen Planung von Energiesystemen erläutert und mit Beispielen aus der europäischen Ebene illustriert. Zahlreiche andere Beispiel sowie ein Überblick über die gängigen Optimierungsmethoden, wie szenarienorientierte Planung, dynamische oder lineare Programmierung, vervollständigen das diskutierte Planungsproblem.

Die Energienutzungssektoren (kurz Sektoren) verbrauchen die vom Energiesektor bereitgestellten Primär- und Sekundärenergien. Die Umstellung auf die Versorgung aus erneuerbaren Energiequellen wird auch die Struktur des Energieverbrauchs in den Sektoren verändern. Die aktuelle Energieverbrauchsstruktur der Sektoren, so wie auch die geplanten Änderungen, werden in diesem Kapitel am Beispiel Deutschlands dargestellt. Der Rückgang des Energieverbrauchs in diesen Sektoren ist bereits heute, als Folge der weitreichenden Maßnahmen der Energiewende, wie z. B. Steigerung der Energieeffizienz, zu beobachten. Die Erreichung der Ziele einer 80 %- bis 100 %igen Emissionsminderung erfordert jedoch eine grundlegende Umstrukturierung der Energieversorgung der Sektoren. Welche Substitutionsmöglichkeiten für fossile Energieträger durch erneuerbare Energien und deren Produkte, wie z. B. Power-to-X, in Deutschland bestehen, wird sich aus der in diesem Kapitel durchgeführten Analyse ergeben.

Ein Gesamtenergiesystem (GES) besteht aus unterschiedlichen physikalischen Teilkomponenten für die auch spezifische Modellierungs- und Berechnungsmethoden bei der Planung und Optimierung verwendet werden müssen. Die Optimierung des GES wird daher meist iterativ durchgeführt: die Ergebnisse der Planung, unter Verwendung allgemeiner Strategien für das GES, werden durch detaillierte Berechnungen für die Teilsysteme bis zu einzelnen Anlagen überprüft und die allgemeinen Ansätze so lange verifiziert, bis eine technische Realisierbarkeit aller Komponenten erreicht wird. In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Modellierung von Teilsystemen des GES besprochen. Das Augenmerk liegt auf den Strom- und Gasinfrastrukturen.

Die steigende Durchdringung der erneuerbaren Erzeuger ändert die Betriebsweise der Energiesysteme von einer bedarfsorientierten hin zu einer erzeugungsorientierten Strategie. Wenngleich der Bedarf letztlich immer die Erzeugungsmenge definieren wird, wird eine „Just-in-time“-Energieproduktion im System des Jahres 2050 nicht mehr möglich sein. Deswegen ist auch eine nach heutigen Maßstäben deutlich größere Flexibilität auf der Erzeugungs- und Verbrauchsseite notwendig, um das Gleichgewicht des GES zu gewährleisten. Zusätzlich sind auch neue Anlagen, wie z. B. Phasenschieber, in elektrischen Übertragungssystemen notwendig, um das Netz zu ertüchtigen. Eine zentrale Rolle wird in zukünftigen GES den Energiespeichern zugerechnet, die den zeitlichen Versatz zwischen Angebot und Nachfrage in natürlicher Weise ausgleichen können. In diesem Kapitel werden die Grundlagen für die Identifizierung, Modellierung und Vermarktung von Flexibilität dargelegt und diskutiert. Der Fokus liegt auf dem Bedarf des elektrischen Energiesystems, da dieses das Rückgrat des zukünftigen GES bilden wird.

Die Entwicklung eines dekarbonisierten Energiesystems in Ländern der Europäischen Union (EU), aber auch weltweit ist durch ungleiche Geschwindigkeiten gekennzeichnet. Diese ergeben sich aus differierenden Ausgangslagen, Herangehensweisen sowie den maßgeblichen Anforderungen bis hin zu den Themen Wirtschaftskraft und Akzeptanz. Der Fokus dieses Buches liegt auf den Ländern der EU, die eine gemeinsame Klimastrategie, bekannt unter dem Namen „Green Deal“, führen. Aber auch hier sind nationale Unterschiede zu verzeichnen. Und letztlich ist auch die Weltklimastrategie, bestätigt zuletzt durch das Pariser Abkommen, nach wie vor stark länderorientiert. In diesem Kapitel werden die Perspektiven der Entwicklung von Gesamtenergiesystemen einiger Hauptakteure wie EU, USA und China skizziert und besprochen.