Energiesystem Deutschland 2050
– Sektor- und Energieträgerübergreifende, modellbasierte, ganzheitliche Untersuchung zur langfristigen Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen durch Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien


Motivation
Im Sommer 2011 verabschiedete die deutsche Bundesregierung ambitionierte Ziele zur Umstellung des Energiesystems in Deutschland. Ziel dieser Umstellung soll eine drastische Reduktion der Treibhausgase um 80 % bezogen auf 1990 sein. Der größte Anteil der Treibhausgas-Emissionen entfällt auf energiebedingte CO2-Emissionen, nämlich knapp 993 Mio. Tonnen im Jahr 1990. Die energiebedingten CO2-Emissionen dürfen entsprechend im Jahr 2050 bei maximal 198 Mio. Tonnen liegen. Eine Schlüsselkomponente bei der Reduktion der energiebedingten CO2 Emissionen soll der massive Zuwachs an Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien sein. Konkret bedeutet dies, dass ein Anstieg auf 80 % bis 2050 gefordert wird (35 % in 2020, 50 % in 2030 und 65 % in 2040). Gleichzeitig soll der Primärenergiebedarf Deutschlands bis 2020 auf 80 % und in 2050 auf 50 % reduziert werden.

Ziele
Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, wie ein Energiesystem im Jahr 2050 aussehen könnte, das mit den genannten politischen Zielen kompatibel ist. Um diese Frage zu beantworten wurde eine vollständige Modellierung des deutschen Energiesystems vorgenommen, wobei vor allem die Stromerzeugung und die Wärmeversorgung des Gebäudesektors detailliert abgebildet werden. Der besondere Fokus liegt bei diesem Ansatz einerseits auf einer zeitlich aufgelösten, Stunden genauen Betrachtung der Wechselwirkung von Energiebereitstellung und –verbrauch über alle Sektoren hinweg und andererseits auf der Anwendung einer Optimierung, um kosten-optimale Systeme zu ermitteln.

Ergebnisse
Um zu einer ausgeglichenen Energiebilanz unter Minimierung der jährlichen Vollkosten für Erhalt und Betrieb des Gesamtsystems zu gelangen, resultiert als Folge der Optimierung das in Abb. 1 gezeigte System. In dem Schema sind die installierte Leistung/ Kapazität aller Komponenten und die korrespondierenden Energieflüsse dargestellt. Fluktuierende erneuerbare Energien decken entsprechend demnach knapp 78 % der Brutto-Stromerzeugung, Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung knapp 16 % und der Rest entfällt auf konventionelle Kraftwerke. Im Jahr 2012 lag der Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien bei rund 17 % und der Anteil fossiler und nuklearer Kraftwerke (einschl. Anlagen der Kraftwärmekopplung) bei rund 73 %; der Rest entfällt auf Strom aus Müll, Biomasse und sonstige (BMWi - Energiedaten 2013). Der Netto-Stromverbrauch liegt entsprechend Abb. 1 in Summe bei 602 TWh und somit höher als heute; die entsprechenden Werte lagen in den Jahren 2008 bis 2012 zwischen 495 TWh und 530 TWh. Dieses Ergebnis gilt trotz der zuvor getroffenen Annahme, dass der Verbrauch in den klassischen Verbrauchssektoren um 25 % auf 375 TWh abnimmt, da neue Verbraucher im Wärmebereich mit knapp 70 TWh und im Verkehr mit knapp 160 TWh hinzukommen.
Eine Übersicht über die Zusammensetzung der Bereitstellung von Niedertemperaturwärme gibt Tab. 1. Die Summe der bereitgestellten Wärme beträgt 435 TWh und liegt damit deutlich unter dem heutigen Wert. Dies liegt an der Annahme einer Reduktion des Heizwärmeverbrauchs auf 40 % des heutigen Wertes durch Maßnahmen der energetischen Gebäudesanierung.  

Tab. 1: Zusammensetzung der Wärmebereitstellung im ausgewählten System entsprechend Abb. 1
  TWh %   TWh %
Solarthermie 87.2 20.1% Solarthermie dezentral 36.1 8.3 %
Solarthermie zentral 26.2 6.0 %
Solarthermie Prozesse 25.0 5.7 %
Kraft-Wärme-Kopplung 72.5 16.7% BHKW, dezentral 22.6 5.2 %
KWK, groß 27.1 6.2 %
KWK, mittel 22.8 5.2 %
Wärmepumpen 171.1 39.4% Wärmepumpen, Netze 43.2 9.9 %
Wärmepumpe, Luft 42.9 9.9 %
Wärmepumpe, Sole 51.1 11.8 %
Gas-Wärmepumpe 33.9 7.8 %
Heizstäbe 27.3 6.3 % Heizstäbe 27.3 6.3 %
Heizkessel 70.5 16.2 % Heizkessel 70.5 16.2 %
Geothermie 6.3 1.4 % Tiefengeothermie 6.3 1.4 %


Abb. 2 zeigt die stündliche Auflösung der Stromerzeugung und-verwendung an jeweils einem ausgewählten Tag mit hoher bzw. niedriger Stromerzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien (FEE). Im linken Teil des Diagramms ist ein extremer Wintertag mit Heizwärmenachfrage (Betrieb Wärmepumpen) und sehr niedriger Stromeinspeisung aus Wind und PV-Anlagen dargestellt. Die Stromnachfrage (unten links) besteht hierbei aus der in ganz Deutschland anfallenden Grundlast (klassische Verbrauchssektoren). Zusätzlich entsteht aufgrund des batteriebetriebenen Verkehrs (blau) und dem Betrieb elektrischer Wärmepumpen zur Deckung der Heizwärmenachfrage aus dem Gebäudesektor eine erhöhte Last. Gedeckt wird die Last (oben links) an diesem Tag nur zu einem geringen Teil durch die Erzeugung von Windkraft und PV-Anlagen. Den Hauptteil der Stromversorgung gewährleisten KWK-Anlagen. Große GuD-Anlagen mit Wärmeauskopplung (hellblau) und mittlere netzgebundene BHKW-Anlagen (orange) befriedigen bilanziell in Ungefähr die Grundlast. Der restliche Strom wird zu einem kleinen Teil von kleinen, dezentralen BHKW (grau-blau) und zur Mittagszeit zum Teil durch PV-Anlagen gedeckt.

Demgegenüber zeigen die rechten Diagramme einen Tag mit extremen Stromüber-schüssen im System. Die Hauptnachfrage setzt sich wie oben beschrieben aus der Grundlast und der Last für den Batterie-betriebenen Verkehrssektor zusammen. Zusätzlich besteht in den ersten Stunden des Tages eine geringe Nachfrage von elektrischen Wärmepumpen. Diese Last wird hauptsächlich (vgl. Diagramm rechts oben, bis ca. 6 Uhr) durch Onshore und Offshore Windanlagen gedeckt. Mit der Einspeisung von PV-Anlagen ab ca. 8 Uhr übersteigt die Stromerzeugung aus FEE die Nachfrage im System. Dieser Anstieg wird zunächst dazu genutzt Batterien (rot) und Pumpspeicherkraftwerke (gelb) zu beladen. Danach wird der überschüssige Strom dazu verwendet Wasserstoff zu erzeugen. Sobald diese Erzeugungskapazitäten ausgereizt sind wird der überschüssige Strom dazu genutzt thermische Speicher zunächst mit Hilfe von Wärmepumpen (ca. zw. 9 und 14 Uhr) und später direkt (grau-grün) zu beladen. Durch diese Nutzungskaskade ist es möglich überschüssigen Strom im System best-möglich zu nutzen.

Fotos / Grafiken

 Abb. 1 
 Abb. 1
 Abb. 2


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