Elektrifizierung

Netzausbau

Ein gut ausgebautes Stromnetz ist ein wichtiger Faktor, um Strom aus erneuerbaren Energien überregional zu verteilen und Schwankungen in der Energieerzeugung auszugleichen - insbesondere vor dem Hintergrund, dass sich der Bruttostromverbrauch in Deutschland bis 2045 gegenüber heute voraussichtlich verdoppeln wird.

Wird zum Beispiel im Norden Deutschlands viel Energie z.B. durch Windkraftanlagen erzeugt, kann diese Energie durch eine gut ausgebaute Netzinfrastruktur in den Süden transportiert werden. Bislang ist der fehlende Netzausbau an sonnenarmen Tagen vor allem für Bayern ein Problem, das derzeit vor allem auf Solaranlagen setzt. Ein Ausbau der Windenergie ist im Flächenland Bayern jedoch unerlässlich, da sonst die Klimaneutralität Deutschlands nicht erreicht werden kann. Durch den verstärkten Ausbau von Schwachwindanlagen kann auch in windschwachen Regionen die Produktivität einer Windkraftanlage erhöht werden.

Neben einem verstärkten Netzausbau kann auch eine Dezentralisierung der Stromerzeugung von großer Bedeutung sein. In kleineren Gemeinden ist es durchaus möglich, sich mit einem hohen Anteil an Strom aus regionalen erneuerbaren Energiequellen und lokalen Speichermöglichkeiten nahezu selbst zu versorgen. Für die Industrie und größere Städte ist es aber nicht möglich ihre Energie nur aus dezentrale Kleinanlagen zu beziehen.

Der europäische Netzausbau ermöglicht zudem einen großräumigen Ausgleich, da die Wetterbedingungen quer durch Europa hinreichend unterschiedlich sind. Auch Durchmischungseffekte können besser genutzt werden, da alle Stromkunden zusammen in Europa ein wesentlich gleichmäßigeres Verbrauchsprofil aufweisen als auf der Ebene einzelner Länder oder kleinerer Regionen.

Neben dem Ausbau müssen die Netze auch optimiert und verstärkt werden, um die Übertragungskapazitäten zu erhöhen und effizienter zu nutzen.

Folgen eines vernachlässigten Netzausbau sind:

• die Versorgungssicherheit verschlechtert sich




• der Strompreis steigt durch netzstabilisierende Eingriffe




• die Klimabilanz verschlechtert sich,
  weil fossile Kraftwerke als Reserve eingesetzt werden müssen

Es ergeben sich jedoch auch Probleme beim Netzausbau. So schreibt das Umweltbundesamt auf seiner Seite:

Der Widerstand der betroffenen Bevölkerung und Naturschützer richtet sich vor allem gegen den Bau weiterer Freileitungen aufgrund der Auswirkungen auf Mensch, Natur und Landschaftsbild. Eine höhere Akzeptanz von Netzausbauprojekten kann im Ergebnis den Ausbau beschleunigen. Dazu sollten die Entscheidungsträger die Bevölkerung frühzeitig in die Planungs- und Genehmigungsverfahren einbinden, Entscheidungsprozesse transparent gestalten sowie Konflikte sachgerecht und fair bewältigen. Das Netz schonend auszubauen und negative Auswirkungen angemessen finanziell oder materiell zu kompensieren, stärkt die Akzeptanz darüber hinaus maßgeblich

indirekte Elektrifizierung

Herstellung Wasserstoff

Der hergestellte Wasserstoff wird nach folgenden Kriterien unterschieden:

Energiewirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist nur die Herstellung von grünem Wasserstoff, für den die Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien verwendet werden. Für Deutschland muss eine Strategie entwickelt werden, die den Import von grünem Wasserstoff nachhaltig sichert, weil dieser nicht ausreichend in Deutschland hergestellt werden kann.

Blauer Wasserstoff könnte sich als Übergangslösung etablieren, bis ausreichend grüner Wasserstoff verfügbar ist.

Grauer Wasserstoff aus fossilen Energieträgern ist dagegen auszuschließen, da sich die Treibhausgasemissionen vervielfachen würden, statt zu sinken.

Power-to-X

Unter Power-to-X versteht man die Umwandlung von Ökostrom (Power) in eine andere Energieform (X). Die erzeugte Energie kann sowohl flüssig (z.B. E-Fuels) oder gasförmig (z.B. Methan), aber auch als Wärme z.B. in Wassertanks gespeichert werden. Bei allen Energieformen mit Ausnahme der Umwandlung von Strom in Wärme wird Wasserstoff als Ausgangsprodukt erzeugt.

Power-to-Gas (Strom zu Gas)

Bei der Herstellung von Gas aus Strom wird im ersten Schritt immer Wasserstoff erzeugt. Der erzeugte Wasserstoff kann dann gespeichert oder direkt genutzt werden, z.B. bei der Stahlherstellung. Wasserstoff kann auch im Wärmebereich eingesetzt werden, hat hier aber den Nachteil, dass er nur bis zu einem Anteil von fünf Prozent in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Aus Wasserstoff können zudem auch Brenngase wie Ammoniak oder Methan hergestellt werden. Methan hat den Vorteil, dass es in der bestehenden Gasinfrastruktur gespeichert und transportiert werden kann.

Power-to-Liquid (Strom zu Flüssigkraftstoff)

Unter Power-to-Liquid versteht man die Umwandlung von elektrischem Strom in synthetischen flüssigen Kraftstoff. Synthetisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Kraftstoff aus einer Kombination verschiedener Elemente besteht. Die in den Medien häufig beschriebenen E-Fuels (sprich: Elektro-Fuels) werden beispielsweise aus Wasserstoff und CO₂ mit Hilfe von Strom hergestellt. E-Fuels können auch im Verbrennungsmotor eingesetzt werden und benötigen bei der Herstellung kein Erdöl.

Power-to-Heat (Strom zu Wärme)

Unter Power-to-Heat versteht man die Erzeugung von Wärme aus elektrischer Energie. Mit Hilfe von Power-to-Heat-Technologien wird regenerativ erzeugter Strom über eine einfache elektrische Heizung (Heizstab, Elektrodenkessel) kostengünstig in Wärme umgewandelt und in einem großen Wasserspeicher gespeichert. Bei Bedarf wird die Wärme dann z.B. für Brauchwasser und Heizung in einer Wohnsiedlung genutzt.

Probleme

Wasserstoff und besonders E-Fuels haben das Problem, das sie gegenüber der direkten Elektrifizierung eine mangelnde Wettbewerbsfähigkeit haben. Obwohl sich die Kosten der Geräte zur Aufspaltung in Wasserstoff im Zeitraum von 2005 - 2020 um 60% reduziert haben, führt die Umwandlung von Strom zu Wasserstoff und seinen weiterverarbeiteten Formen zu hohen Wirkungsgradverlusten und damit Kosten.

Hinzu kommt, dass Ökostrom auch in Zukunft ein knappes Gut sein wird und die Herstellung von grünem Wasserstoff sehr viel Strom verbraucht. Im Verkehrssektor beispielsweise ist der Strombedarf pro gefahrenem Kilometer bei E-Fuels etwa fünfmal höher als bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Daher ist die Produktion von Wasserstoff heute noch relativ gering. Aufgrund des technologischen Fortschritts und der Skalierbarkeit werden Wasserstoff und E-Fuels jedoch ab 2030 in bestimmten Anwendungsbereichen eine signifikante Rolle spielen. Diese Entwicklung wird durch den 2022 in den USA verabschiedeten "Inflation Reduction Act", der erneuerbare Energien und insbesondere Wasserstoff im eigenen Land mit Milliardenbeträgen subventioniert, weiter vorangetrieben und zwingt auch Europa zu verstärkten Investitionen in Wasserstoff.

In den folgenden Grafiken sind die Anwendungsfälle von grünem Wasserstoff nach ihrer Wirtschaftlichkeit und dem CO₂-Einsparpotential aufgelistet.

Industrie

Energiemix Industrie 2020

Folgende Punkte sind grundsätzlich essentiell für einen Emissionsrückgang in der Industrie:

• Elektrifizierung der Prozesswärme z.B. beim Gießen von Stahl
• Brennstoffwechsel: Umstellung auf Wasserstoff oder umweltverträglichem Biogas
• vermehrte Einsatz von Biomasse
• Nutzung von CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS)
• effizientere Materialnutzung/Kreislaufwirtschaft
• bessere Energieeffizienz

direkte Elektrifizierung in der Industrie

In der Industrie basieren viele Prozesse noch auf fossilen Brennstoffen. Dazu gehören beispielsweise die Metallerzeugung, die Grundstoffchemie und die Verarbeitung von Steinen und Erden. Insbesondere die Wärmebereitstellung verursacht hohe Treibhausgasemissionen, da die Befeuerung von Öfen und die Bereitstellung von Dampf oder Warmwasser durch fossile Brennstoffe erfolgt. Durch strombasierte Wärme- und Dampferzeugung und den Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen können einige Prozesse elektrifiziert werden. Darüber hinaus ist die Steigerung der Energieeffizienz ein entscheidender Faktor.

indirekte Elektrifizierung in der Industrie

Einige industrielle Prozesse zur Herstellung von Rohstoffen sowie zur Bereitstellung von Hochtemperatur-Prozesswärme (400°C bis über 1000°C) lassen sich allerdings nur durch den Einsatz von energiereichem Wasserstoff klimafreundlich gestaltet werden, da bei einer direkten Elektrifizierung der Energieverbrauch höher wäre. Hier bieten sich vor allem die Teilsektoren Stahl, Ammoniak, Raffinerien sowie E-Fuels für die Petrochemie an.

*Olefine werden als Treibstoffe und zur Herstellung von z.B. Alkoholen, Kunststoffen und Waschmittelkomponenten gebraucht

Gebäude / Wärme

Energiemix Gebäude 2020

Die Endenergiebereitstellung in Gebäuden für Warmwasser und Raumwärme macht über 70% der CO₂-Emissionen des Gebäudesektors aus. Die folgende Grafik zeigt die Energiebereitstellung in diesem Sektor, die noch weitgehend auf fossilen Brennstoffen beruht.

direkte Elektrifizierung im Gebäudesektor

Für den Gebäudesektor sind vor allem zwei Faktoren entscheidend, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren: die Senkung des Endenergiebedarfs und die Umstellung auf klimaneutrale Energieträger.

Senkung des Endenergiebedarfs

Die folgenden Punkte tragen zu einer Verringerung der Nachfrage bei::

• Verbesserung der energetischen Qualität von Neubauten und Erhöhung der Sanierungsrate und -tiefe bei Altbauten
• Reduktion des Pro-Kopf-Verbrauchs an beheizter Wohnfläche, z.B. durch die Umkehrung des Trends zu immer mehr Wohnfläche pro Kopf (Zunahme von Single-Haushalten)
• Steigerung der Effizienz von Heiztechnologien, insbesondere durch den Einsatz von Wärmepumpen

Die Energieeffizienz von Gebäuden ist ein entscheidender Faktor um die Treibhausgase in diesem Bereich zu senken. Um energiesparende Gebäude von energieintensiven Gebäuden zu unterscheiden wurden sogenannte Effizienzhausstufen eingeführt, die den Gesamtenergiebedarf und die Wärmedämmung bewerten. Je kleiner die Kennziffer einer Effizienzhausstufe ist, desto weniger Energie verbraucht das Gebäude. Die Stufen reichen vom Passivhausstandard (40) bis zum im Gebäudeenergiegesetz beschriebenen Standardhaus (100).

Aufgrund der hohen Kosten ist es günstiger, mehr erneuerbare Energien einzusetzen, als flächendeckend den Passivhausstandard anzuwenden. Kostenoptimal ist hier eine Sanierungstiefe zwischen 55 und 70.

Ein weiterer Punkt zur Steigerung der Energieeffizienz ist die verstärkte Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung. In Kraftwerken entsteht bei der Verbrennung eines Energieträgers immer auch Wärme. Bei konventionellen Kraftwerken wird diese Abwärme ungenutzt über Kühltürme an die Umwelt abgegeben, während sie bei der Kraft-Wärme-Kopplung über ein Wärmenetz als Nah- oder Fernwärme nutzbar gemacht wird.

Wechsel auf klimaneutrale Energieträger

• Umstellung von fossilen auf erneuerbare Energieträger in Gebäuden und bei der Fernwärmeversorgung
• Beschleunigung der Austauschraten fossiler Heizungssysteme

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Elektrifizierung von Wärmepumpen im Gebäudebereich. Darüber hinaus können Großwärmepumpen und Blockheizkraftwerke, aber auch die verstärkte Nutzung von Solarthermie und Tiefengeothermie die Wärme klimaneutral in das Wärmenetz einspeisen. Die Speicherung von Wärme ist eine wichtige Option, um Schwankungen bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien auszugleichen.

Indirekte Elektrifizierung im Gebäudesektor

Die indirekte Elektrifizierung spielt im Gebäudesektor aufgrund wettbewerbsfähiger Alternativen wie Wärmenetze und Wärmepumpen sowie der begrenzten Verfügbarkeit und des hohen Preises von grünem Wasserstoff eine untergeordnete Rolle.

Verkehr

Energiemix Verkehr 2020

Direkte Elektrifizierung im Verkehrsbereich

Elektrische Antriebe im Leichtverkehr werden sich in den nächsten Jahren gegenüber Verbrennungsmotoren und in Zukunft auch gegenüber Wasserstoff und E-Fuels weiter durchsetzen. Dies gilt insbesondere für Pkw, leichte Lkw, Linienbusse und den Schienenverkehr. Hauptgrund ist der höhere Wirkungsgrad elektrischer Antriebe, der auch den Gesamtenergiebedarf des Verkehrssektors sinken lässt.

PKW & Nahrverkehr-Bus

Im Pkw-Bereich wird sich aufgrund der höheren Effizienz und der immer weiter sinkenden Batteriepreise das batterieelektrische Fahrzeug durchsetzen. Dies bestätigen auch die verschiedenen Szenarien des Ariadne-Berichts: Selbst im besten Szenario erreichen Wasserstoff-Pkw nur einen Neuzulassungsanteil von 11,4 % im Jahr 2045. Auch bei Bussen im Nahverkehr ist die direkte Elektrifizierung effizienter..

Leichte LKWs

Insbesondere bei leichten Nutzfahrzeugen bis einschließlich 7,5 t hat die direkte Elektrifizierung Effizienz- und Kostenvorteile gegenüber Wasserstoff. Leichte Lkw machen heute rund 78 % der gesamten Lkw-Flotte aus und sind für rund ein Viertel der Lkw-Emissionen verantwortlich.

Indirekte Elektrifizierung im Verkehrsbereich

Aufgrund der geringen Energiedichte von Batterien müssten für weite Bereiche des Schwerlast- und Fernverkehrs sehr große und damit schwere Batterien verbaut werden, was einen Einsatz technologisch sinnlos machen würde. Generell gilt: Je länger die Strecke und je schwerer das Fahrzeug, desto wirtschaftlicher ist Wasserstoff im Vergleich zur direkten Elektrifizierung. Eine wichtige Alternative wäre auch, mehr Schwerlastverkehr auf die Schiene zu verlagern.

Fern-Buse und schwere LKWs

Für Überlandbusse ist Wasserstoff aufgrund der längeren Fahrstrecken eine Alternative. Insbesondere bei schweren LKWs kann die Umstellung auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge schnell erfolgen. Dies liegt zum einen an den Kostenvorteilen von Wasserstoff, zum anderen aber auch daran, dass aufgrund der hohen Fahrleistung die Lebensdauer eines LKWs relativ kurz ist und somit schneller ersetzt werden kann.

Schwerlastbereich

Für Schiffe und Flugzeuge im Schwerlastbereich, die lange Strecken zurücklegen, sind Wasserstoff bzw. E-Fuels und Biotreibstoffe aufgrund der hohen Energiedichte die einzige Wahl.

Sektorenkopplung

Das Ziel der Sektorenkopplung ist es, die schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien auszugleichen. In Deutschland werden täglich rund 1,5 Terawattstunden Strom benötigt. Wenn die Stromerzeugung zukünftig auf erneuerbaren Energien (insbesondere Solar- und Windkraftanlagen - siehe Grafik unten) basieren soll, stellt sich zunächst die Frage, wie die benötigte Energie zu jedem Zeitpunkt bereitgestellt werden kann. Die Herausforderung besteht darin, dass die Stromproduktion von Solar- und Windkraftanlagen im Tages-, Wochen- und Jahresverlauf schwankt. So kann die Stromerzeugung die Stromnachfrage übersteigen, aber auch unterschreiten. Der Extremfall ist, wenn weder Wind weht noch die Sonne scheint und somit Wind- und Solaranlagen keinen Strom erzeugen können.

Hier setzt die sogenannte Sektorkopplung an, also die Kombination von Energiespeichern, Energiemanagement und regelbaren Kraftwerken, die schnell und punktgenau Energie erzeugen können. Grundlage ist die Elektrifizierung der Sektoren Haushalte, Gewerbe, Verkehr und Industrie, um die klimaneutral erzeugte Energie zu verarbeiten. So können die verschiedenen Sektoren flexibel auf Stromüberschüsse oder -engpässe reagieren. Über den europäischen Stromverbund kann zudem überschüssiger Strom exportiert oder benötigter Strom importiert werden.

In Deutschland haben wir den Vorteil, dass sich die Stromerzeugung aus Sonne und Wind im Jahresverlauf sehr gut ausgleicht. So scheint im Sommer durchschnittlich mehr Sonne, während die Windstärke abnimmt. Im Winter ist es umgekehrt: viel Wind, aber wenig Sonne.

Geregelte Kraftwerke

Um zu jeder Zeit die Stromnachfrage zu bedienen, sind schnell regelbare Kraftwerke unverzichtbar um als „Backup“ zu dienen. Dazu zählen in den nächsten Jahren noch Erdgas- sowie Kohlekraftwerke. Diese sollen aber in zunehmendem Maße von Kraftwerken abgelöst werden, die mit klimaneutralen hergestellten Brennstoffen wie Wasserstoff oder Methan betrieben werden.

Energiemanagement

Das gezielte Abschalten von Stromverbrauchern bzw. die zeitliche Verschiebung des Betriebs ist ein wichtiger Punkt, wenn Strommangel herrscht. Umgekehrt können bei Stromüberschuss Verbraucher zugeschaltet werden. Beispielsweise könnte eine vernetzte (smarte) Waschmaschine so programmiert werden, dass sie nur dann läuft, wenn der Strom gerade günstig und damit in ausreichender Menge vorhanden ist. Ein anderes Beispiel ist das zeitgesteuerte Laden von Elektroautos, die jeweils zeitversetzt laden können, um das Netz nicht zu überlasten, und auch nur dann, wenn genügend Strom im Netz vorhanden ist. Der Verbraucher kann seine Gewohnheiten über seine Wallbox/Ladegerät frei einstellen. Dies ist auch für einige industrielle Prozesse möglich, die zeitunabhängig ablaufen können.

Voraussetzung dafür sind vernetzte Geräte auf der Verbraucherseite, die die notwendigen Daten senden und empfangen, sowie ein gut abgestimmtes Energiemanagement bei den Energieversorgern.

Energiespeicher

Strom kann auf verschiedene Arten gespeichert werden: mechanisch, elektrisch, chemisch und thermisch. Die Speichertypen unterscheiden sich in der Effizienz (Wirkungsgrad), der Speicherkapazität, den Kosten und der Entladezeit. Als Energiespeicher sind vor allem die oben beschriebenen Power-to-X-Technologien von großer Bedeutung.

Um kurzfristige Schwankungen im Bereich von einer bis wenigen Stunden auszugleichen, können stationäre und mobile Batterien (Elektroautos) sowie Pumpspeicherkraftwerke als Speichertechnologien eingesetzt werden. Der Grund für die zeitliche Begrenzung liegt in den hohen Kosten der Speichereinheiten, während der Wirkungsgrad der Ein- und Ausspeicherung mit Werten über 80 % recht hoch ist. Um Strom über Monate speichern zu können, sind Wasserstoff und seine umgewandelte Form Methan jedoch alternativlos.

Wirkungsgradvergleich

Batteriesysteme

Ähnlich wie bei den erneuerbaren Energien konnten auch bei den Batteriesystemen in den letzten Jahren erhebliche Kostensenkungen erzielt werden. So sind z.B. stationäre Lithium-Ionen-Batteriesysteme in Deutschland zwischen 2014 und 2020 um durchschnittlich 71% günstiger geworden. Bis 2021 ist jedoch mit einem Preisanstieg aufgrund steigender Nachfrage, Verknappung von Elektronikchips und steigenden Transportkosten zu rechnen.

Technologieübersicht

Anteil an der Gesamtleistung