Energiesysteme der Zukunft (ESYS)

• Prof. Dr.-Ing. Jan Wörner
  acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften
• Prof. (ETHZ) Dr. Gerald Haug
  Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
• Prof Dr. Dr. Hanns Hatt
  Union der deutschen Akademien der Wissenschaften
  Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften und der Künste
• Prof. Dr. Bärbel Friedrich
  Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
• Prof. Dr.-Ing. Edwin J. Kreuzer
  Akademie der Wissenschaften in Hamburg
• Prof. Dr. Robert Schlögl
  Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
• Prof. Dr. Andreas Löschel
  Zentrum für europäische Wirtschaftsforschung
  Expertenkommission zum Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“
• Prof. Dr. Christoph M. Schmidt
  RWI – Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung
• MinDirig’in Oda Keppler (Gast)
  Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
• Ministerialrätin Dr.-Ing. Rodoula Tryfonidou (Gast)
  Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

• Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer
  RWTH Aachen
• Prof. Dr. Hans-Martin Henning
  Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
• Prof. Dr. Karen Pittel
  ifo Institut – Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung an der Universität München
• Prof. Dr. Jürgen Renn
  Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte
• Prof. Dr. Indra Spiecker genannt Döhmann
  Goethe-Universität Frankfurt am Main

Photovoltaik und Windenergie haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten enorme technologische Fortschritte gemacht: Mit ihnen erzeugter Strom wird immer günstiger, ihr Ausbaupotenzial ist groß – dennoch stockt der Ausbau und reicht nicht aus, um die Pariser Klimaziele zu erreichen. Will Deutschland die nationalen und europäischen Klimaziele erreichen, muss dieser Prozess an Fahrt aufnehmen. Dies gilt umso mehr in Anbetracht des wachsenden Strombedarfs und der verschärften EU-Klimaziele.
Die Arbeitsgruppe „Ausbau von Photovoltaik und Windenergie“ identifiziert Ausbauhemmnisse für diese Energieträger und erarbeitet Handlungsoptionen, wie diese überwunden werden können. Neben rechtlich-ökonomischen Rahmenbedingungen und der Gestaltung der Planungs- und Genehmigungsprozesse sollen insbesondere auch Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz und Umsetzbarkeit in die Arbeit einfließen.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Andreas Walter Bett
  Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
• Prof. Dr. Ellen Matthies
  Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Wasserstoff gilt in der Energiewende als Schlüsselelement für die Sektorenkopplung: Er bietet die Möglichkeit fossile Energien in den Sektoren zu ersetzen, in denen der direkte Einsatz von erneuerbarem Strom nur schwer realisierbar ist. Beispiele hierfür wären etwa die Chemie- und Stahlindustrie sowie der Flug-, See- und Schwerlastverkehr. Die hierfür benötigten Mengen können voraussichtlich nicht allein in Deutschland hergestellt werden. Wasserstoffimporte könnten helfen, diese Lücke zwischen Bedarf und Erzeugung zu schließen.
Die ESYS-Arbeitsgruppe „Wasserstoffwirtschaft 2030“ erarbeitet Handlungsoptionen für den Markthochlauf bis 2030, identifiziert Vor- und Nachteile der verschiedenen Optionen und ermittelt Forschungsbedarfe. Im Zentrum der Arbeit stehen Themen wie Verfügbarkeit, Transportvektoren, Infrastrukturen und Anwendungen sowie Zertifizierung. Welche Importmengen sind bis zum Jahr 2030 realisierbar? Können dafür bestehende Infrastrukturen genutzt werden oder müssen neue geschaffen werden? Wie muss der regulatorische Rahmen gestaltet sein, damit sich wirtschaftliche Geschäftsmodelle entwickeln können? Unter anderem diesen Fragen wird die AG nachgehen.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Frithjof Staiß
  Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Die klimapolitischen Ziele wurden in Deutschland und Europa verschärft, eine globale Wasserstoffwirtschaft ist im Entstehen und Potenziale zur Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre (Negative Emissionen) sollen ausgelotet werden: Wie wirken sich diese Entwicklungen auf die Energiewende aus? Die AG Integrierte Energieversorgung untersucht, wie mögliche Wege in die Klimaneutralität vor 2050 unter diesen veränderten Vorzeichen aussehen können. Anhand eines Vergleichs aktueller Energieszenarien und eigener Modellrechnungen schafft sie einen Überblick über verschiedene mögliche Pfade zur Klimaneutralität und zeigt den Einfluss wichtiger technischer und ökonomischer Parameter und gesellschaftlicher Präferenzen auf die künftige Energieversorgung auf. Welche Treibhaus-Minderungspfade sind für die verschiedenen Sektoren nötig, um die deutschen und europäischen Klimaziele zu erreichen? Welche Technologien und Infrastrukturen müssen hierfür bis wann zur Verfügung stehen? Welche Rolle spielen Änderungen im Verbrauchsverhalten oder in der Energieeffizienz und welche politischen und regulatorischen Maßnahmen sind bis wann erforderlich, um diese Transformation zu schaffen?

AG-Leitung

• Prof. Dr. Anke Weidlich
  Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
• Prof. Dr. Mario Ragwitz
  Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie

Der Ausbau von erneuerbaren Energien im Zuge der Energiewende in Deutschland und der EU führt zu einer neuen Dynamik auf den Strommärkten. Statt mit langfristigen Prognosen und Großkraftwerken planen zu können, müssen Strommärkte künftig kurzfristige Veränderungen durch fluktuierende erneuerbare Energiequellen, viele kleinere Marktteilnehmer und flexible Nutzung mitabbilden. Der geplante Wegfall von Kern- und Kohlekraftwerken verstärkt diese Dynamik. Die ESYS-Arbeitsgruppe „Strommarkt der Zukunft“ untersucht, wie das Marktdesign gestaltet werden könnte, um auch langfristig eine kostengünstige und sichere Versorgung zu garantieren. Hierbei geht es unter anderem um die folgenden Fragen: Wie können Anlagen für Erneuerbare Energien am besten finanziell gefördert werden oder wird eine Förderung durch einen hohen CO2-Preis sogar obsolet? Können sich Kraftwerke und Speicher, die für die Versorgungssicherheit entscheidend sind, im bestehenden System refinanzieren? Wie kann es gelingen, mehr Flexibilität in den Strommarkt zu bringen, ohne die Versorgungssicherheit und Kosteneffizienz zu gefährden?

AG-Leitung

• Prof. Dr. iur. Jürgen Kühling, LL.M
  Universität Regensburg
• Prof. Dr. Justus Haucap
  Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Ohne Informations- und Kommunikationstechnologien ist die Energieversorgung inzwischen undenkbar. Sie ermöglichen den Informationsfluss zwischen Erzeugern, Verbrauchern, Umspannwerken und anderen Teilsystemen, überwachen das Netz und schlagen Alarm bei Problemen. Gleichzeitig birgt die Digitalisierung Risiken wie Manipulationen, Cyberangriffe oder fehlerhafte Anwendungen. Die Energieversorgung ist eine kritische Infrastruktur (KRITIS). Ein Blackout hätte daher weitreichende Folgen für die Gesellschaft. Der Anspruch lautet: Digitale Energieinfrastrukturen müssen sowohl sicher als auch sichernd sein. Das bedeutet, sie müssen sich selbst gegen Angriffe und Ausfälle verteidigen können und gleichzeitig das Gesamtsystem funktionsfähig halten. Wo liegen dabei die Chancen und Herausforderungen? Wer sind die Hauptakteure, welche Verantwortung tragen sie? Was muss auf Regulierungsebene und in der Praxis passieren? Mit diesen Fragen setzt sich die ESYS-Arbeitsgruppe „Resilienz digitalisierter Energiesysteme“ auseinander.

AG-Leitung

• Dr. Christoph Mayer
  OFFIS – Institut für Informatik, Bereich Energie, Leiter
• Prof. Dr. Gert Brunekreeft
  Jacobs University Bremen, Professor für Energieökonomik

Die regulatorischen Fragen im Strommarkt sind heute andere als bei der Liberalisierung um die Jahrtausendwende, als wesentliche Weichen im deutschen Energiemarktdesign gestellt wurden. Das Marktdesign muss daher angepasst werden. Im Hinblick auf die absehbaren Herausforderungen sollte die Entwicklung des Marktdesigns unter Berücksichtigung der bisherigen Erfahrungen grundsätzlich überdacht werden. Optimiertes Marktdesign kann Klimaschutzziele effizienter und effektiver erreichen, die Integration erneuerbarer Energien verbessern und zur Versorgungssicherheit beitragen. Die AG erarbeitet für das Zieljahr 2030, wie der Strommarkt für die Dekarbonisierung des Energiesystems gestaltet sein sollte und welche Handlungsoptionen sich ergeben. Hierzu werden das europäische Emissionshandelssystem, die Förderung erneuerbarer Energien sowie die Wechselwirkungen des Stromsektors mit den Sektoren Verkehr und Wärme beleuchtet.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Felix Müsgens
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Fakultät Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme, Lehrstuhl für Energiewirtschaft, Lehrstuhlinhaber
• Prof. Dr. Hartmut Weyer
  Technische Universität Clausthal, Institut für deutsches und internationales Berg- und Energierecht, Direktor

Durch den steigenden Einsatz erneuerbarer Energien wird Strom heute nicht mehr ausschließlich in Großkraftwerken produziert, sondern auch in kleineren Erzeugungseinheiten. So speisen immer mehr Privatpersonen, Unternehmen oder Kommunen mit eigenen Wind- oder Photovoltaikanlagen Strom ins Netz ein. Viele Bürgerinnen und Bürger sehen diese Entwicklung als Chance, die Energiewende aktiv mitzugestalten. Unklar ist jedoch, wie sich der Trend zur dezentralen Energieversorgung auf das Gesamtsystem auswirkt. Erwächst daraus eine funktionsfähige neue Systemarchitektur oder führt eine Fragmentierung des Energiesystems zunehmend zu Problemen? Die Arbeitsgruppe will aufzeigen, wie zentrale und dezentrale Elemente zu einem stabilen Versorgungssystem integriert werden können. Dazu untersucht sie technische Möglichkeiten, rechtliche Rahmenbedingungen sowie politische, ökonomische und gesellschaftliche Fragestellungen.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Peter Dabrock
  Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Philosophische Fakultät und Fachbereich Theologie, Lehrstuhl für Systematische Theologie II (Ethik), Lehrstuhlinhaber
• Prof. Dr.-Ing. Jutta Hanson
  Technische Universität Darmstadt, Institut für Elektrische Energiesysteme, Fachgebiet „Elektrische Energieversorgung unter Einsatz erneuerbarer Energien“, Leiterin
• Prof. Dr. Christoph Weber
  Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Wirtschaftswissenschaften, Lehrstuhl für Energiewirtschaft, Lehrstuhlinhaber

Die Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung und der Pariser Klimavertrag legen fest, dass die Erderwärmung langfristig auf deutlich unter 2 Grad begrenzt und die Welt in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts treibhausgasneutral werden soll. Dafür muss die europäische Energieversorgung gemeinschaftlich umgebaut werden. Die Arbeitsgruppe untersucht den rechtlichen, politischen und ökonomischen Rahmen der europäischen Energiepolitik, vor allem im Hinblick auf bestehende Hemmnisse bei der Errichtung der europäischen Energieunion. Darauf aufbauend entwickelt sie Leitlinien für eine Governance der Energieunion, die nachhaltig, sicher und bezahlbar ist und auf eine vollständige CO2-Neutralität abzielt. Sie will aufzeigen, wie der Prozess optimal gesteuert werden könnte, wie die Aufgaben innerhalb der EU gerecht und effizient verteilt werden könnten und wie Zivilgesellschaft und Privatwirtschaft eingebunden werden sollten.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Sabine Schlacke 
  Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Umwelt- und Planungsrecht, Geschäftsführende Direktorin
• Prof. Dr. Michèle Knodt 
  Technische Universität Darmstadt, Institut für Politikwissenschaften, Fachbereich Gesellschafts- und Geschichtswissenschaften, Jean Monnet Professorin
• Prof. Dr. Christoph Böhringer 
  Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Department für Wirtschafts- und Rechtswissenschaften, Lehrstuhl für Wirtschaftspolitik, Lehrstuhlinhaber

Bioenergie hat einige Vorteile: Weil sie sich gut speichern lässt, kann man damit die Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie ausgleichen oder Wärme erzeugen. Man kann aus Biomasse Kraftstoffe herstellen oder in Kombination mit der CCS-Technologie einsetzen, sodass der Atmosphäre Treibhausgase entzogen werden. Klimamodelle zeigen, dass dies in einigen Jahrzehnten erforderlich sein wird. Die Nachteile: Bleiben Nachhaltigkeitskriterien außer Acht, verursacht der Anbau von Energiepflanzen Treibhausgase, wirkt sich negativ auf Artenvielfalt und Bodenqualität aus und belastet die Gewässer. Die Arbeitsgruppe untersucht, wie man Bioenergie möglichst nachhaltig für die Energieversorgung nutzen und so zum Klimaschutz beitragen kann.

AG-Leitung

• Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän 
  Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, Department Bioenergie, Leiterin
• Prof. Dr. Gernot Klepper 
  Institut für Weltwirtschaft (IfW) Kiel, Forschungsbereich „Umwelt und natürliche Ressourcen“, Senior Researcher

Um 80 bis 95 Prozent CO₂-Einsparung zu erreichen, genügt es nicht, nur die Stromerzeugung auf erneuerbare Energien umzustellen. Auch die Energie für die Wärmeversorgung und den Verkehr muss klimafreundlicher gewonnen werden. Dazu braucht es zum einen Technologien wie Power-to-X, mit denen sich aus Strom zum Beispiel Heizwärme, synthetisches Gas und Kraftstoffe herstellen lassen. Darüber hinaus müssen Märkte, rechtliche Rahmenbedingungen und Infrastrukturen angepasst werden. Eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Eberhard Umbach analysiert Entwicklungspfade für eine stärkere Vernetzung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Eberhard Umbach 
  acatech, Mitglied des Präsidiums
• Prof. Dr. Hans-Martin Hennig
  Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Leiter

Heutige Entscheidungen beeinflussen die Entwicklung des zukünftigen Energiesystems maßgeblich. Beispiel Verkehr: Über das bestehende Tankstellensystem können künftig auch Biokraftstoffe und synthetisches Benzin vertrieben werden. Für Elektroautos und Brennstoffzellenfahrzeuge bräuchte man dagegen komplett neue Infrastrukturen für Strom beziehungsweise Wasserstoff. Würde man das System nur auf eine dieser Technologien ausrichten, entstünden also Pfadabhängigkeiten, die später nur noch schwer aufzulösen wären. Vor diesem Hintergrund entwickelt eine Arbeitsgruppe derzeit eine Stellungnahme, die Strategien für solche Entscheidungsprobleme liefern soll. Sie soll Akteure dabei zu unterstützen, mit Pfadabhängigkeiten umzugehen und Weichenstellungen im Verkehrssektor vorzunehmen.

AG-Leitung

• Prof. Dr.-Ing. Manfred Fischedick 
  Wuppertal Institut, Vizepräsident
• Prof. Dr. Armin Grunwald 
  Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS), Leiter

Bricht die Energieversorgung zusammen, drohen Schäden für Wirtschaft und Gesellschaft. Daher sollte das Energiesystem möglichst robust sein. Idealerweise „lernt“ es sogar aus Störfällen und ist danach besser auf künftige Ereignisse vorbereitet. Wie also kann eine sichere Energieversorgung auch dann gewährleistet werden, wenn mehrere unvorhergesehene Ereignisse zusammenkommen? Und welchen Einfluss hat die Energiewende auf die Widerstandskraft des Systems? Eine Arbeitsgruppe hat dazu beispielhafte „Bedrohungsszenarien“ entworfen und in einer Analyse beschrieben. Für die darauf aufbauende Stellungnahme hat sie Maßnahmen für ein resilientes Energiesystem der Zukunft herausgearbeitet.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Ortwin Renn
  Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS), Wissenschaftlicher Direktor

Um den Endenergiebedarf zu reduzieren, müssen auch Privatverbraucher sparsamer mit Energie umgehen. Eine hohe Stromrechnung führt jedoch nur selten dazu, dass Bürgerinnen und Bürger ihr Energieverbrauchsverhalten aktiv ändern. Auf Basis verhaltenswissenschaftlicher Erkenntnisse hat eine Arbeitsgruppe unter anderem analysiert, welche Anreize Privathaushalte zum Energiesparen motivieren können.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Ortwin Renn
  Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS), Wissenschaftlicher Direktor

Die Energiewende beeinflusst den Rohstoffbedarf: Während der Verbrauch von Kohle, Öl und Gas langfristig sinken soll, kann Bioenergie dazu beitragen, die schwankende Einspeisung aus Wind- und Solarenergie auszugleichen. Gleichzeitig werden mehr Metalle benötigt, um Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze auszubauen. Die Arbeitsgruppe hat untersucht, wie Deutschland unabhängiger von Rohstoffimporten werden kann und welche Maßnahmen dazu beitragen, die Versorgung langfristig zu sichern.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Peter Herzig 
  GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, Direktor
• Prof. Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Wellmer
  ehem. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), ehem. Präsident

Energieszenarien dienen häufig als Grundlage für politische Entscheidungen. Umso wichtiger ist es, dass die Ergebnisse nachvollziehbar und transparent sind. Viele beauftragte Institute legen ihre Rechenmodelle jedoch nicht offen. Auch wird nicht immer deutlich, ob Vorgaben der Auftraggeber die Ergebnisse beeinflussen. Um mehr Transparenz zu schaffen, hat die Arbeitsgruppe Leitlinien für die Arbeit mit Energieszenarien entwickelt.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Armin Grunwald 
  Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS), Leiter

Die Einspeisung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen schwankt in Abhängigkeit vom Wetter. Flexibilitätstechnologien müssen diese Schwankungen ausgleichen – mit flexiblen Kraftwerken, Speichern und Lastmanagement, das den Verbrauch mit dem Angebot in Einklang bringt. Doch welche Technologien verbinden Stabilität mit Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und gesellschaftlicher Akzeptanz? Eine Arbeitsgruppe hat mithilfe eines eigens entwickelten Rechenmodells rund 130 Systemkonstellationen verglichen.

AG-Leitung

• Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner 
  Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Geschäftsführender Institutsleiter
• Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer 
  RWTH Aachen, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA, Lehrstuhl für Elektrochemische Energieumwandlung und Speichersystemtechnik, Lehrstuhlinhaber
• Prof. Dr.-Ing. Manfred Fischedick 
  Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Vizepräsident

Um die globale Erderwärmung zu begrenzen, müssen die Energieversorgungssysteme möglichst vieler Länder nachhaltiger werden. Daher wäre es sinnvoll, die deutsche Energiewendepolitik stärker mit der europäischen Energie- und Klimapolitik zu verzahnen. Eine Arbeitsgruppe hat die Voraussetzungen für ein international anschlussfähiges europäisches Modell herausgearbeitet und dabei insbesondere den europäischen Emissionshandel, die Förderung erneuerbarer Energien und den Strombinnenmarkt beleuchtet.

AG-Leitung

• Prof. Dr. Christoph M. Schmidt 
  RWI – Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung, Präsident

Einmal im Jahr lädt das Akademienprojekt ESYS in Berlin zur Jahresveranstaltung Energie.System.Wende. ein. In Podiumsdiskussionen und Workshops werden Ergebnisse und Ideen aus dem Projekt vorgestellt und mit Interessierten unterschiedlicher Branchen und Disziplinen diskutiert.

Das Forschungsforum Energiewende ist eine transdisziplinäre Dialogplattform. Im Plenum kommen Akteure aus Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft zusammen, um über Handlungsoptionen im Bereich Energieforschung und -politik zu diskutieren. Das Leitungskollegium bereitet die Plenumssitzungen vor.

Das Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“ (ESYS) arbeitet mit der HUMBOLDT-VIADRINA Governance Platform zusammen. In den Trialogen zur Energiewende tauschen sich ESYS-Fachleute mit Akteuren aus Politik, Wirtschaft und organisierter Zivilgesellschaft aus. Die ganztägigen Dialogformate werden genutzt, um in ESYS bearbeitete Themen aus verschiedenen Blickwinkeln zu beleuchten und Fragestellungen im Hinblick auf ihre gesellschaftliche Anschlussfähigkeit zu schärfen.

Über den Austausch im Rahmen von Workshops und Fachgesprächen beziehen die ESYS-Arbeitsgruppen auch das Praxiswissen energiepolitischer Akteure mit ein. Dazu laden die AGs je 10 bis 15 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Politik, Wirtschaft und zivilgesellschaftlichen Organisationen ein, um mit ihnen Zwischenergebnisse zu diskutieren.

Etwa einmal im Jahr treffen sich die Projektmitglieder zur ESYS-Konferenz im Berliner Harnack-Haus, um Themen und Schwerpunkte des Projekts weiterzuentwickeln. Die laufenden Arbeitsgruppen stellen hier auch ihre Zwischenergebnisse vor.