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Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften Union der deutschen Akademien der Wissenschaften
Prof. Dr. Reinhard Hüttl
Prof. Dr. Hans-Martin Henning
29. März 2017
Perspektiven der Sektorkopplung – Bericht aus dem Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“
acatech – Deusche Akademie der
Technikwissenschaften
Die Institution
– wissenschaftsbasierte Politik- und
Gesellschaftsberatung zur Förderung der
Innovationskraft in Deutschland im Auftrag
von Bund und Ländern (GWK)
– seit 1. Januar 2008 durch Bund und Länder
geförderte Akademie
Das Netzwerk (Stand: März 2017)
– Wissenschaft: 498 Mitglieder
– Wirtschaft, Wissenschaft und Verbände:
109 Senatoren
acatech Präsidenten
Henning Kagermann (links)
und Dieter Spath (rechts)
Die Ziele
Wissenschaftsbasierte Empfehlungen
acatech berät auf dem besten Stand der
Wissenschaft in technikbezogenen Zukunftsfragen
Wissenstransfer
acatech bietet eine Plattform für den
Austausch von Wissenschaft und Wirtschaft
Nachwuchsförderung
acatech engagiert sich für den
technikwissenschaftlichen Nachwuchs
Innovationskraft
acatech fördert nachhaltiges Wachstum
durch Innovation
Internationales Engagement
Mitgliedschaften:
Europäischer Verbund der technikwissenschaftlichen Akademien
(Euro-CASE), Präsident: Reinhard F. Hüttl (Vizepräsident acatech)
Weltweiter Verbund der technikwissenschaftlichen Akademien
(CAETS)
Die Mitglieder
498 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
aus Hochschulen, außeruniversitären Forschungs-
einrichtungen und anderen Organisationen
Großteil der Mitglieder ist in den Wissenschafts-
akademien der Länder zuhause
Aufnahme neuer Mitglieder aufgrund
herausragender wissenschaftlicher Leistungen
Zuwahl in Mitgliederversammlung auf Vorschlag
eines Mitglieds und Begutachtungsprozesses
Die Senatoren
109 Senatorinnen und Senatoren
Leitende Positionen
– bei technologieorientierten Unternehmen
– wissenschaftlichen Organisationen
– Stiftungen, Verbänden und Gewerkschaften
Aufnahme neuer Senatoren auf Vorschlag
des Präsidiums
Vorsitzender des Senats:
Henning Kagermann
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Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“
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Herausforderungen für Politik, Gesellschaft und Wissenschaft
• Regulatorische Eingriffe ins Energiesystem haben oft unerwartete Effekte. Im Idealfall sind energiepolitische Instrumente entsprechend anpassungsfähig.
• Klimaschutz ist nur wirksam, wenn die Staaten gemeinsam handeln. Das nationale Projekt „Energiewende“ erfordert daher ein integriertes und abgestimmtes Vorgehen in Europa.
• Die Energiewende ist ein Gemeinschaftswerk. Sie kann nur gelingen, wenn sie von den Bürgerinnen und Bürgern mitgetragen und aktiv unterstützt wird.
• Die wissenschaftsbasierte Politikberatung muss bei der Erarbeitung von Handlungsoptionen eine Systemperspektive einnehmen.
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„Energiesysteme der Zukunft“ – Ziele und Aufgaben
• Das Projekt ESYS bündelt Expertise aus der Energieforschung in Deutschland unter dem Dach der Wissenschaftsakademien.
• In interdisziplinären Arbeitsgruppen erarbeiten rund 100 Expertinnen und Experten Handlungsoptionen für den Weg zu einer umweltverträglichen, sicheren und bezahlbaren und Energieversorgung.
• In verschiedenen Dialogformaten werden die Positionen von Akteuren aus Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft erhoben und anschließend wissenschaftlich ausgewertet.
• Projektlaufzeit:
– Phase I 2013-2016 (Förderer: BMBF, Robert Bosch Stiftung)
– Phase II 2016-2019 (Förderer: BMBF)
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Aufbau des Akademienprojekts
Direktorium
Geschäftsstelle
Kuratorium
Projektmitglieder aus Sektionen
• Technikwissenschaften • Naturwissenschaften • Wirtschaftswissenschaften • Geistes- und Sozialwissenschaften • Rechtswissenschaft
• Das Kuratorium trägt die Gesamtverantwortung.
• Das Direktorium hat die inhaltlich-strategische Leitung.
• Die Geschäftsstelle unterstützt die Projektarbeit.
• Die Projektmitglieder erarbeiten energiepolitische Handlungsoptionen.
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Rohstoffe für die Energiewende Februar 2017
Mit Energieszenarien gut beraten: Anforderungen an wissenschaftliche Politikberatung Januar 2016
Flexibilitätskonzepte für die Stromversorgung 2050: Stabilität im Zeitalter der erneuerbaren Energien Dezember 2015
Die Energiewende europäisch integrieren: Neue Gestaltungsmöglichkeiten für die gemeinsame Energie- und Klimapolitik März 2015
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Wichtigste Veröffentlichungen – ein Auszug
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Verbraucherpolitik für die Energiewende März 2017
Das Energiesystem resilient gestalten 2. Quartal 2017
Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität 4. Quartal 2017
Entscheiden in der Energiewende (Pfadabhängigkeiten) 4. Quartal 2017
A: Analyse, S: Stellungnahme
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S
A
S Laufende Arbeitsgruppen
Anstehende Veröffentlichungen
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Dialogformate – ein zentrales Element von ESYS
Einige Beispiele
• Jahresveranstaltung Energie.System.Wende Diskussionsforum mit rund 120 Gästen (energiepolitische Akteure und interessierte Öffentlichkeit), Vorträge der ESYS-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Podiumsdiskussionen etc.
• Energiepolitische Fachgespräche Präsentation von Stellungnahmen und Diskussion mit Fachleuten
• Transdisziplinäre Dialogplattformen Forschungsforum Energiewende; Trialoge in Kooperation mit der HUMBOLDT-VIADRINA Governance Platform
Fotos: acatech/K. Gastmann
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Warum brauchen wir Sektorkopplung?
Bildquelle: ingenieur.de
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Klimaziele bis 2050: Reduktion der THG-Emissionen um 80 bis 95 %
- 80 %
-20 %
-40 %
- 55 %
- 70 %
- 95 % 0
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sonstige Emissionen Energiebedingte Emissionen
Quelle: „Energiedaten, Gesamtausgabe“, BMWi, Stand Mai 2016
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33 % 35 %
50 %
65 %
80 %
%
20 %
40 %
60 %
80 %
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1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
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Quelle: „Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland“, BMWi, Stand Mai 2016
Erneuerbare Energie im Strombereich Entwicklung und Ziele
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Bisher: Fokus vor allem auf dem Stromsektor.
Dieser deckt aber nur einen (kleinen) Teil des Energiesystems ab.
510 TWh
720 TWh
1290 TWh
Ein Blick auf das gesamte Energiesystem
~20 %* ~30 %* ~50 %* *gemessen am Endenergieverbrauch (2014)
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13,5 % 18 %
30 %
45 %
60 %
%
20 %
40 %
60 %
80 %
100 %
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8.000
12.000
16.000
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
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Primärenergieverbrauch und erneuerbare Energien (gesamt) Entwicklung und Ziele
Quelle: „Energiedaten, Gesamtausgabe“, BMWi, Stand Mai 2016
-50 % (2050)
-20 % (2020)
- 7,5 % (2015)
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Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung
Für die Erreichung der Ziele ist nicht die Betrachtung einzelner Bereiche, sondern eine systemische Herangehensweise und die Optimierung des Gesamtsystems entscheidend
Zwei zentrale Hebel für eine nachhaltige Energieversorgung:
1) Einsparungen und Steigerung der Effizienz
2) Nutzung von erneuerbaren Energien in allen Anwendungsbereichen
Ansatz: Sektorkopplung
viel stärkere Vernetzung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr
Stichworte: Synergieeffekte, stark zunehmende Nutzung EE in allen Sektoren, Effizienzsteigerung (u.a. Hebelung des Energie-Einsatzes, z.B. durch Wärmepumpen), Flexibilität (Speicherung, Ausgleich von Lastspitzen und Angebotsspitzen), u.a.m.
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• Hans-Martin Henning (Fraunhofer ISE), AG-Leiter
• Eberhard Umbach (acatech), AG-Leiter
• Frank-Detlef Drake (innogy)
• Manfred Fischedick (Wuppertal Institut)
• Justus Haucap (Universität Düsseldorf)
• Gundula Hübner (U Halle-Wittenberg / Medical School Hamburg)
• Wolfram Münch (EnBW)
• Karin Pittel (ifo Institut München)
• Christian Rehtanz (TU Dortmund)
• Ferdi Schüth (MPI für Kohlenforschung)
• Kurt Wagemann (DECHEMA e. V.)
• Hermann-Josef Wagner (Universität Bochum)
• Ulrich Wagner (TU München)
Die Arbeitsgruppe zu Sektorkopplung in ESYS
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Methodisches Herangehen
• Ausgangspunkt: Energiesystems heute: Nutzungsbereiche und Energieflüsse
• Darstellung der Optionen der Sektorkopplung: direkte Elektrifizierung, Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe, alternative EE
• Untersuchung der Sektorkopplung in der Literatur – ein Szenarienvergleich
• Modellrechnungen zur Untersuchung wichtiger Parameter und Einflussgrößen
• Hemmnisse und Herausforderungen – Infrastrukturen, Level-Playing-Field, Zeitskalen, Ordnungspolitischer Rahmen
Daraus sollen Schlussfolgerungen und Handlungsoptionen für die Energiepolitik abgeleitet werden. Wichtige Aspekte sind dabei
• Entwicklungen auf der Zeitachse
• Bewertung aus interdisziplinärer Perspektive
• Betrachtung des Energiemarkts
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Verteilung der Energieträger in den vier Nutzungsbereichen (2014)
Quelle: „Energiedaten, Gesamtausgabe“, BMWi, Stand Mai 2016
0
1000
2000
3000
End
en
erg
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PJ
Brenn-\Kraftstoffe Strom Fernwärme
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Niedertem-Temp.-Wärme
Prozesswärme Origin.
Stromanw. Verkehr
Direkte Elektrifizierung
Power-to-Heat (Wärmepumpen,
Tauchsieder, Elektrodenkessel)
Power-to-Heat, Power-to-Product
E-Mobilität, Schienenverkehr,
Oberleitungs-LKWs, …
Power-to-X Power-to-Fuels, Power-to-Gas (lokal /KWK)
Power-to-Fuels, Power-to-Gas
Speicher Power-to-Fuels, Power-to-Gas
Wasserstoff Verbrennung (lokal /KWK)
Verbrennung Speicher Brennstoffzellen-
Fahrzeuge
Sonstige Biomasse/Biogas,
Geothermie, Solarthermie
Biomasse Biomasse-,
Biogaskraftwerke
Biomasse f. Flug- & Schiffsverkehr,
Biodiesel, …
Beispiele für Technologien der Sektorkopplung
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Modellrechnungen zur Untersuchung wichtiger Systemparameter
• Warum eigene Modelluntersuchungen?
– Verfügbare Studien verwenden unterschiedliche Konzepte/Modelle
– Oftmals unzureichende Transparenz in den verwendeten Daten und unterschiedliche Randbedingungen
– Systematische Analyse von Effekten der Sektorkopplung unter ansonsten gleichen Randbedingungen und Annahmen
• Modell REMod-D
– Optimierung (Kostenminimierung) der Transformation des Gesamtsystems unter Einbeziehung aller Sektoren und deren Wechselwirkungen
– Berücksichtigung von notwendigen Speichern
– Einbeziehung Sanierung Gebäude als wichtiger Maßnahme zur Verbrauchsreduktion
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Modellrechnungen zur Untersuchung wichtiger Systemparameter
• Untersuchte Randbedingungen
– Absenkung energiebedingter CO2-Emissionen um 60 % bezogen auf den Referenzwert im Jahr 1990; ansonsten freie Optimierung
– Absenkung um 75 %; ansonsten freie Optimierung
– Absenkung um 85 %; ansonsten freie Optimierung
– Absenkung um 90 %; ansonsten freie Optimierung
– Absenkung um 85 %; ausgeprägte Nutzung von Wasserstoff , insbesondere im Verkehr
– Absenkung um 85 %; ausgeprägte Nutzung von Power-to-Gas/Fuel
– Absenkung um 85 %; Reduktion Energieverbrauch (Strom, Industrie); mehr Import/Export-Kapazität; keine Strom aus Kohle; höhere Anteile Solarthermie
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Methodik
1990 1991 1992 … 2012 2013 2014
Kraftwerke
Erneuerbare Energien (PV, Wind, …)
Gebäude und Heizungstechnik
Fahrzeugflotte
Bestand und Altersstruktur Ausbau, Sanierung, Ersatz
2015 2016 2017 … 2048 2049 2050
Kraftwerke
Erneuerbare Energien (PV, Wind, …)
Speicher (Strom, Wärme)
Gebäude und Heizungstechnik
Fahrzeugflotte
Power-to-X-Techniken Zeitschrittsimulation des Gesamtsystems von
2015 bis 2050 in Stundenschritten
CO2-Grenzen (jahresscharf) eingehalten?
Optimierung von Ausbau, Sanierung, Ersatz Zielfunktion: minimale kumulative Gesamtkosten 2015-2050
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Was kann ein derartiges Modell …
• …nicht beantworten?
– So wird‘s kommen
– Wie sehen Geschäftsmodelle für Marktteilnehmer aus
– Wie funktioniert Preisbildung
• …beantworten?
– Wie kann aus systemtechnischer Perspektive – basierend auf (hoffentlich) bestem Wissen über heute grundsätzlich verfügbare Technologien und deren Kosten- und Performanceprojektion – die Entwicklung von Gesamtsystemen aussehen?
– Welche systemischen Gesamtkosten sind damit verknüpft?
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Zentrale Ergebnisse – Stromerzeugung 2050
• Installierte Kapazität der Wandler fluktuierender erneuerbarer Energien (FEE: Sonne, Wind) hängt signifikant vom Klimaschutzziel ab
• Installierte Kapazität flexibler, thermischer Kraftwerke immer ähnlich (80-100 GW), allerdings Unterschiede in Volllaststunden
• 85-%-Ziel ohne Verbrauchsreduktion, Effizienz auf Nutzungsseite und Ausstieg aus Kohleverstromung usw. kaum mit installierten Leistungen FEE erreichbar, die gesellschaftlich verträglich erscheinen
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Zentrale Ergebnisse – Stromnutzung 2050
- 60 % CO2, freie Optimierung
- 75 % CO2, freie Optimierung
- 85 % CO2, freie Optimierung
- 90 % CO2, freie Optimierung
• Stromnutzung steigt deutlich mit Zielen der CO2-Absenkung (rund 650 TWh bei -60 %; rund 1150 TWh bei -90%)
• Sektorkopplung
• Zunächst vor allem durch direkte Stromnutzung (Wärmepumpen, direkte Nutzung im Verkehr)
• Bei höheren Zielwerten CO2-Ab-senkung zunehmend Wasserstoff (direkte Nutzung und Weiter-konversion in Power-to-Fuel) und Power-to-Gas
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Zentrale Ergebnisse – Stromnutzung 2050
-85 % CO2, freie Optimierung
- 85 % CO2, Wasserstoff
- 85 % CO2, Power-to-Gas/Fuel
- 85 % CO2, Reduktion Verbrauch, …
• Stromnutzung rund 1000 TWh mit Ausnahme bei „moderaten“ Randbedingungen (dann rund 750 TWh)
• Rund 50 % des erzeugten Stroms gehen in Technologien der Sektorkopplung
• Bei „moderaten“ Bedingungen direkte Stromnutzung dominant gegenüber Konversion in H2 und Power-to-Gas/Fuel
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Zentrale Ergebnisse – Ausbau Power-to-Gas/Fuel-Techniken
- 60 % CO2 - 90 % CO2
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Zentrale Ergebnisse – Ausbau Energiespeicher
- 60 % CO2 - 90 % CO2
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Fazit
• Sektorkopplung ist selbst bei einer Absenkung der energiebedingten CO2-Emissionen um 60 % schon wesentlicher Bestandteil der Systemlösung
• Zunächst überwiegend direkte Stromnutzung (Wärmepumpen, Power-to-Heat, Batterie/E-Motor in PKW)
• Aber: selbst bei Absenkung um 60 % sind schon Langzeitspeicher notwendig (Nutzung von Stromerzeugungsspitzen; Umwandlung in chem. Energieträger; Nutzung in Verkehr und Industrie) – umso mehr bei weitergehenden Zielwerten
• Bei ambitionierten Klimazielen ist voraussichtlich ein starker Ausbau erneuerbarer Erzeugungsanlagen (Photovoltaik, Wind) notwendig
• Gleichzeitig ist ein flexibler Kraftwerkspark benötigt (aber: wenige Volllasstunden)
• Sektorkopplung erfordert adäquate Betrachtung und Behandlung des Gesamtsystems („kommunizierende Röhren“)
regulatorische Instrumente notwendig, die dem gerecht werden (intersektorale Lenkungswirkung, „level playing field“)
• Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz können entscheidend sein
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Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften Union der deutschen Akademien der Wissenschaften
Backup Folien
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Direktorium (seit März 2016)
Prof. Dr. Robert Schlögl (Vorsitz)
Max-Planck-Gesellschaft
Prof. Dr. Christoph M. Schmidt RWI – Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung
Prof. Dr. Eberhard Umbach acatech Präsidium
Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer RWTH Aachen
Prof. Dr. Dr. Carl Friedrich Gethmann Universität Siegen
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Sektorkopplung am Beispiel der direkten Elektrifizierung
Strom
Verkehr Wärme
Erneuerbare Energien
Power-to-Heat (Wärmepumpen, Tauchsieder, …) Power-to-Product (bspw. Wasserstoff für Industrie-prozesse)
Elektromobilität, Schienenverkehr, Oberleitungs-LKWs
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Sektorkopplung am Beispiel der direkten Elektrifizierung
Strom
Verkehr Wärme
Erneuerbare Energien
Power-to-Heat (Wärmepumpen, Tauchsieder, …) Power-to-Product (bspw. Wasserstoff für Industrie-prozesse)
Elektromobilität, Schienenverkehr, Oberleitungs-LKWs
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Sektorkopplung am Beispiel der direkten Elektrifizierung
Strom
Erneuerbare Energien
Power-to-Heat (Wärmepumpen, Tauchsieder, …) Power-to-Product (bspw. Wasserstoff für Industrie-prozesse)
Elektromobilität, Schienenverkehr, Oberleitungs-LKWs
Verkehr Wärme verknüpft mit Effizienz
