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DOSSIER STROMVERSORGUNG 2050 / FLEXIBILITÄTSKONZEPTE

Ansprechpartner

Dr. Glotzbach Ulrich

Dr.
Ulrich Glotzbach

Leiter Themenschwerpunkt Energie, Ressourcen und Nachhaltigkeit
acatech Geschäftsstelle

T: +49 (0)30/2 06 79 57-32
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Dr. Erlach Berit

Dr.
Berit Erlach

Wiss. Referentin
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Ansprechpartnerin Presse

 Byfield Selina

Selina Byfield

Teamleiterin Kommunikation Energiesysteme der Zukunft
acatech Geschäftsstelle

T: +49 (0)30/2 06 79 57-61
byfield@acatech.de

Publikationen

Weiterführende Informationen

Presseinformation "Akademien veröffentlichen Stellungnahme zur Stromversorgung der Zukunft"Akademienprojekt Energiesysteme der Zukunft (Phase 1)

Akademienprojekt Energiesysteme der Zukunft (Phase 2)

 

Stabilität im Zeitalter der erneuerbaren Energien

Bis zum Jahr 2050 soll die Stromversorgung in Deutschland überwiegend auf erneuerbare Energien umgestellt werden. Die Einspeisung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen schwankt jedoch in Abhängigkeit vom Wetter. Flexibilitätstechnologien können dazu beitragen, diese Schwankungen auszugleichen: von flexiblen Kraftwerken über Speicher bis hin zum Demand-Side-Management, das den Verbrauch mit dem Angebot in Einklang bringt.

 

Doch welche Kombinationen verbinden Stabilität mit Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und gesellschaftlicher Akzeptanz? Eine Arbeitsgruppe des Akademienprojekts „Energiesysteme der Zukunft“ (ESYS) hat mithilfe eines eigens entwickelten Rechenmodells rund 130 Systemkonstellationen verglichen. Die Stellungnahme „Flexibilitätskonzepte für die Stromversorgung 2050“ fasst die wichtigsten Ergebnisse zusammen, die eine umfassende Analyse näher beschreibt. Die Technologie-Steckbriefe dokumentieren die detaillierten Ergebnisse aus den Fachgruppen zur Bewertung der einzelnen Technologien.

 

Publikationen und Materialien

„Das Energiesystem der Zukunft muss die Schwankungen von Windkraft und Photovoltaik ausgleichen. Flexibilitätstechnologien sind dabei der Schlüssel zu einer nachhaltigen und sicheren Versorgung.

 

Peter Elsner

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie

Leiter der Arbeitsgruppe „Flexibilitätskonzepte“

 

 

„Künftig könnten etwa Batterien von Elektroautos dann aufgeladen werden, wenn besonders viel Wind- und Photovoltaikstrom vorhanden ist. Über längere Zeiträume ließe sich Strom durch die Umwandlung in Wasserstoff oder synthetisches Erdgas speichern.

 

Dirk Uwe Sauer

RWTH Aachen

Leiter der Arbeitsgruppe „Flexibilitätskonzepte“

 

 

„Für die Gestaltung einer sicheren Stromversorgung gibt es zahlreiche Optionen mit ähnlichen Stromgestehungskosten. Unsere Berechnungen und Analysen zeigen Handlungsmöglichkeiten und deren Konsequenzen auf.“

 

Manfred Fischedick

Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie

Leiter der Fachgruppe „Energieszenarien“

 

 

Gestaltungsoptionen für das Stromsystem 2050

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, die Stromversorgung im Zeitalter der erneuerbaren Energien zu stabilisieren. Auf Basis von Modellrechnungen hat das Akademienprojekt Gestaltungsoptionen für energiepolitische Fragestellungen entwickelt.

 

Einige Ergebnisse in Kürze

Einige Ergebnisse in Kürze

  • Fast keine Technologie ist alternativlos, fast jede lässt sich zu überschaubaren Mehrkosten ersetzen – sofern die Weichen rechtzeitig gestellt und Fehlinvestitionen vermieden werden.
  • Brennstoffflexible Gaskraftwerke sind jedoch das stabilisierende Rückgrat jedes Energiesystems, um die Versorgung auch in mehrwöchigen wind- und sonnenarmen Phasen sicherzustellen.
  • Mit einer flexiblen Verbrauchs- und Speichersteuerung in Haushalten und Industrie (Demand-Side-Management) lassen sich kurzfristige Stromschwankungen am kostengünstigsten ausgleichen.
  • Langzeitspeicher lohnen sich erst ab einer CO2-Einsparung über 80 Prozent – bis dahin ist es kostengünstiger, mit überschüssigem Strom zunächst den Wärmesektor zu versorgen und verbleibende Erzeugungsspitzen abzuregeln.

Welchen Einfluss haben die CO2-Minderungsziele?

Welchen Einfluss haben die CO2-Minderungsziele?

Windenergie und Photovoltaik sind die wichtigsten Erzeugungstechnologien für die Stromversorgung 2050. Geht man davon aus, dass der Preis für CO2-Emissionszertifikate bis zum Jahr 2050 deutlich steigen wird, ist die Erzeugung mit hohem Wind- und Photovoltaikanteil in der Regel günstiger als mit einem von fossilen Energien dominierten Kraftwerkspark heutiger Prägung.


Die schwankende Einspeisung erfordert den Einsatz von Flexibilitätstechnologien. Gasturbinen- sowie Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke sind künftig das Rückgrat einer gesicherten und zuverlässigen Stromversorgung, zu der es wenige Alternativen gibt. Abhängig davon, wie viel Kohlendioxid tatsächlich eingespart werden muss und wie hoch der Anteil erneuerbarer Energien ist, werden diese Kraftwerke mit Erdgas, mit Biogas oder als Teil von Speichersystemen mit Wasserstoff oder synthetischem Methan betrieben. Sind die Anlagen mit variabler Gasfeuerung ausgelegt, ermöglichen sie eine sukzessive Umstellung auf erneuerbare Brennstoffe.

Wie könnte ein Stromsystem mit 100 Prozent Erneuerbaren aussehen?

Wie könnte ein Stromsystem mit 100 Prozent Erneuerbaren aussehen?

Bei einem hohen Wind- und Photovoltaikanteil von 80 bis 95 Prozent könnte man den verbleibenden Strombedarf durch Bioenergie abdecken. Hierzu wäre allerdings bis zu doppelt so viel Biogas erforderlich wie heute verbraucht wird. Wie viel davon tatsächlich für den Stromsektor zur Verfügung steht, kann nur im Rahmen einer nationalen Biomassestrategie entschieden werden. Sie muss sowohl Nutzungskonkurrenzen als auch ökologische und soziale Folgen des Anbaus berücksichtigen. Alternativ könnten deutlich mehr Wind- und Photovoltaikanlagen zusammen mit saisonalen Gasspeichern installiert werden als rechnerisch zur Deckung des Strombedarfs erforderlich (Überinstallation). In diesem Fall würde für den Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage weniger als die Hälfte dessen benötigt, was heute an Biogas eingesetzt wird. In besonders wind- und sonnenreichen Zeiten würden die zusätzlichen Wind- und Photovoltaikanlagen dann abgeregelt.

 

Bei einem niedrigen Anteil an Wind und Photovoltaik wären solarthermische Kraftwerke mit integrierten Wärmespeichern (Concentrated Solar Power) als Ergänzung zu Windkraft und Photovoltaik vergleichsweise kostengünstig. Von Südeuropa oder Nordafrika aus könnten sie Deutschland über transeuropäische Netze versorgen. Die Voraussetzung: Erzeugerländer und Transitstaaten gewährleisten die für den Stromtransport erforderliche Rechtssicherheit. Falls noch geringe Restemissionen erlaubt sind, kann der zusätzliche Strombedarf am kostengünstigsten durch Erdgaskraftwerke gedeckt werden. Ohne Erdgas und Solarthermie könnte die Geothermie die Lücke schließen, allerdings verbunden mit relativ hohen Kosten.

Zentrale oder dezentrale Erzeugung?

Zentrale oder dezentrale Erzeugung?

Insgesamt sind Systeme mit starkem Übertragungsnetzausbau sowie dem kombinierten Einsatz von dezentralen und zentralen Kraftwerkstechnologien günstiger als rein dezentrale Systeme. Lässt man die Verteilnetze außen vor, sind die Stromgestehungskosten eines dezentralen Systems rund zehn Prozent höher (nur Anlagen mit einer Leistung unter 100 Megawatt, 90 Prozent Wind und Photovoltaikanteil). Je niedriger der Wind- und Photovoltaikanteil, desto höher sind die Mehrkosten. Deshalb sollte ein hoher Grad an Dezentralität mit einem starken Ausbau von Wind- und Photovoltaikanlagen in allen Teilen Deutschlands, insbesondere nahe der Verbrauchszentren, einhergehen.

 

Umfragen zeigen, dass kleine, dezentrale Anlagen in der Bevölkerung mehr Zustimmung finden als große, zentrale Anlagen. Darüber hinaus stößt der Netzausbau teilweise auf vehementen Widerstand. Bei der Entscheidung für eine zentrale oder dezentrale Architektur der Stromversorgung müssen daher auch die gesellschaftlichen Präferenzen berücksichtigt werden.

Welche Rolle können Speicher in Zukunft spielen?

Welche Rolle können Speicher in Zukunft spielen?

 

Als Kurzzeitspeicher für einige Stunden können Pump- und Druckluftspeicher sowie Batterien dienen. Wesentlich kostengünstiger wäre jedoch das Demand-Side-Management, die gezielte Steuerung der Stromnachfrage von Haushalten und Industrieunternehmen. In Zukunft dürfte es so viele Photovoltaik- und Elektroauto-Batterien, elektrische Heiz- und Warmwassersysteme mit Speichern und steuerbare Haushaltsgeräte geben, dass sie den gesamten Kurzzeitspeicherbedarf abdecken können. Die Herausforderung: Dafür wird flächendeckend intelligente Steuerungstechnik benötigt – und die Verbraucher müssten akzeptieren, dass ihre Geräte „ferngesteuert“ würden.

 

Mehrwöchige wind- und sonnenarme Phasen („Dunkelflauten“) lassen sich sowohl mit Langzeitspeichern als auch flexiblen Erzeugern, zum Beispiel Gaskraftwerken, überbrücken. Für die Langzeitspeicherung muss Strom in Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden (Power-to-Gas), das später in Kraftwerken rückverstromt wird.

 

Langzeitspeicher kommen vor allem bei einem sehr ambitionierten Klimaschutz zum Einsatz, wenn zu eine begrenzte Zahl flexibler Kraftwerke  eingesetzt werden kann (etwa weil wenig Biomasse verfügbar ist). Bis zu einer Einsparung von 80 Prozent CO2 ist es dagegen kostengünstiger, den Überschussstrom für den Wärmemarkt zu nutzen und danach abzuregeln. Wenn es genug Windkraft- und Photovoltaik gibt, können Langzeitspeicher allerdings auch gezielt aufgebaut werden, um die Stromversorgung unabhängiger vom Erdgasimport zu machen.

Wie können Stromüberschüsse verwendet werden?

Wie können Stromüberschüsse verwendet werden?

Power-to-Heat ist eine kostengünstige Möglichkeit, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien sinnvoll zu verwenden, da die Investitionskosten gering sind. In den Warmwassertanks klassischer Heizsysteme werden zusätzlich zu den Erdgas- oder Erdölbrennern Tauchsieder installiert. Sie erhitzen das Wasser, wenn überschüssiger Wind- und Photovoltaikstrom zur Verfügung steht, so dass sich der Gas- beziehungsweise Ölverbrauch reduzieren lässt.

Der Einsatz von Power-to-Gas als reine Flexibilitätstechnologie lohnt sich wohl erst, wenn eine erhebliche Überinstallation von Wind- und Photovoltaik-Anlagen erfolgt, um auch andere Sektoren zu elektrifizieren und damit zu dekarbonisieren. Der Grund: Die Investitionskosten der Elektrolyseure und Methanisierungsanlagen sind so hoch, dass sich der Betrieb nur bei einer hohen Auslastung lohnt.

Geringere Abhängigkeit von Energieimporten – was sind die Folgen?

Geringere Abhängigkeit von Energieimporten – was sind die Folgen?

Erdgaskraftwerke sind flexibel regelbar, kostengünstig und verursachen im Vergleich zu Kohlekraftwerken geringere CO2-Emissionen. Dies führt in einigen Szenarien dazu, dass der Erdgasverbrauch 2050 etwa doppelt so hoch wie heute ist. Die damit verbundene Abhängigkeit von Erdgas-Importen birgt jedoch Risiken für die Versorgungssicherheit. Reduzieren lässt sich der Erdgaseinsatz durch einen hohen Anteil an Wind- und Photovoltaikstrom, die gezielte Langzeitspeicherung von Überschüssen und einen hohen Einsatz von Biogas.
 
Auch Braunkohle mit Carbon Capture and Storage (CCS) wäre eine Option, sowohl den Erdgas- als auch den Biogasbedarf zu verringern. Derzeit ist jedoch nicht absehbar, dass der Einsatz der CCS-Technologie von der Gesellschaft mitgetragen würde.

Eine weitere Alternative ist die geothermische Stromerzeugung. Allerdings müssten die Kosten der Technologie um 75 Prozent sinken, um damit wirtschaftlich vertretbare Stromgestehungskosten zu erzielen – ein äußerst ambitioniertes Ziel, das erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erfordern würde. Wie auch Braunkohlekraftwerke erfordern geothermische Kraftwerke zudem immer eine hohe Auslastung, um wirtschaftlich zu sein. Daher kommen beide Technologien nur bei einem eher geringen Wind- und Photovoltaikanteil in Frage.

Methodik

Modellrechnungen und Arbeitsweise

Modellrechnungen und Arbeitsweise

 

Ausgehend von repräsentativen Energieszenarien wurde der jeweilige Flexibilitätsbedarf ermittelt. Die Ergebnisse dienten als Grundlage für Modellrechnungen: Auf Basis des Wind- und Photovoltaikanteils sowie des Stromverbrauchs der Energieszenarien wurde das Portfolio der Flexibilitätstechnologien so berechnet, dass die mittleren Stromgestehungskosten möglichst gering sind.

Um die Technologien im Modell realistisch abbilden zu können, haben mehr als 100 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft die Flexibilitätstechnologien für das Jahr 2050 analysiert und deren technischen Fortschritte sowie Kostenentwicklungen abgeschätzt. Mögliche Hindernisse durch Materialengpässe, fehlende Akzeptanz und rechtliche Rahmenbedingungen wurden ebenfalls ermittelt.

Auf dieser Basis wurden rund 130 mögliche Konstellationen des Stromsystems berechnet. Ihnen liegen jeweils unterschiedliche politisch-gesellschaftliche Rahmenbedingungen zugrunde, etwa unterschiedlich hohe CO2-Einsparziele, Präferenzen für bestimmte Technologien oder geopolitische Risiken.

Vereinfachungen und Annahmen

Vereinfachungen und Annahmen

Die Berechnungen beschränken sich auf Deutschland, Kapazitäten zur Bereitstellung von Flexibilität in den europäischen Nachbarländern wurden nicht berücksichtigt. Im Fokus steht außerdem das Stromsystem. Die Sektoren Wärme und Verkehr wurden nur insofern einbezogen als sie gesicherte ganzjährige Flexibilität für das Stromsystem liefern können. So wurden beispielsweise die Prozesswärme in der Industrie berücksichtigt, nicht aber Gebäudeheizungen.

Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass alle Anlagen im Jahr 2050 „auf der grünen Wiese“ neu errichtet werden. Tatsächlich setzen technische und wirtschaftliche Fortschritte wie Wirkungsgradsteigerungen und Kostensenkungen in der Regel voraus, dass die Technologien fortlaufend weiterentwickelt werden. Die damit verbundenen Kosten der Systemtransformation sind somit nicht erfasst. Gleiches gilt für Marktmodelle, die in der Praxis andere Systemkonstellationen begünstigen. So könnten etwa Verbraucher wesentlich mehr eigene Speicher installieren, um ihre betriebswirtschaftlichen Kosten zu optimieren.