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Sektorkopplung

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Definition: die Verbindung von Sektoren der Energiewirtschaft, etwa von Strom, Wärme und Verkehr

Kategorien: elektrische Energie, Fahrzeuge, Grundbegriffe, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 10.05.2016; letzte Änderung: 02.07.2016

Bisher arbeiten verschiedene Sektoren der Energiewirtschaft weitgehend unabhängig voneinander. Beispielsweise wird sehr viel Wärme mithilfe von fossilen Brennstoffen erzeugt, während die meisten Fahrzeuge mit Kraftstoffen aus ebenfalls fossilen Quellen betrieben werden, und die Erzeugung und Anwendung elektrischer Energie geschieht separat davon. Die deutsche Energiewende findet bislang zum Großteil nur im Strombereich statt. Es zeichnet sich jedoch ab, dass eine zunehmende Verbindung der genannten Sektoren im Zuge der Energiewende sinnvoll ist, also zur Optimierung des Energiesystems beitragen kann. Es geht im Kern darum, fossile Energieträger in allen Verbrauchssektoren (und nicht nur bei der Stromerzeugung) durch erneuerbare Energien zu ersetzen:

Zur Sektorkopplung gehört mehr oder weniger zwangsläufig eine weiter voranschreitende Elektrifizierung, also des Einsatzes elektrischer Energie für weitere Zwecke. Die folgenden Aspekte erklären, warum eine solche Entwicklung sinnvoll ist:

Es gibt sehr große Potenziale für die Gewinnung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen; in anderen Sektoren ist dies schwieriger.

Die Sektoren Wärme, Verkehr und Chemie bieten vielfältige Flexibilisierungsoptionen, die für die Nutzung einer fluktuierenden Stromerzeugung sehr wertvoll wären.

Langfristig könnte diese Sektorkopplung zu einer deutlichen Steigerung des Stromverbrauchs (trotz verbesserter Energieeffizienz bei der Stromnutzung) führen, trotzdem aber wegen eines stark steigenden Anteils erneuerbarer Energien bei der Stromerzeugung die klimaschädlichen CO2-Emissionen erheblich senken helfen. Es ist im Übrigen schwer vorstellbar, wie ein effektiver Klimaschutz im Wärme- und vor allem Verkehrsbereich anders gelingen sollte.

Einsatz von Strom im Wärmesektor

Im Folgenden wird genauer ausgeführt, wie der zunehmende Einsatz von Strom für die Wärmeerzeugung einerseits fossile Energieträger zurückdrängen und andererseits das schwankende Angebot von EE-Strom besser nutzbar machen kann.

Bivalent betriebene Wärmepumpen bieten die Möglichkeit, erhebliche Wärmemengen ohne einen stärkeren Ausbau der Stromnetze und Kraftwerke zu erzeugen.

In den nächsten Jahrzehnten wären bivalente Wärmepumpen für Heizungszwecke besonders geeignet. Durch einen starken Einsatz monovalenter Wärmepumpenheizungen (auf der Basis von Elektrowärmepumpen) entstünde nämlich das Problem, dass der Strombedarf in kalten Winterwochen sehr hoch wird; wenn aber die Stromerzeugungskapazitäten dafür ausgelegt würden, entstünden im Sommer erhebliche Überschüsse, die schwer nutzbar wären. (Mit konventionellen Elektroheizungen wäre dieses Problem sogar noch wesentlich größer.) Dagegen können bivalente Anlagen die Wärmeerzeugung in Zeiten mit zu knappem Stromangebot auf andere Quellen umstellen, beispielsweise auf Erdgas. Hierfür wären dann auch die meist kostengünstiger realisierbaren Luft/Wasser-Wärmepumpen gut nutzbar, da sie ja an besonders kalten Tagen nicht betrieben werden müssten. Dies kann jedenfalls für eine Übergangszeit, in der fossile Brennstoffe noch in erheblichem Umfang genutzt werden, eine vergleichsweise kostengünstige Strategie sein. Betriebswirtschaftlich sollte dieser Weg durch entsprechende Stromtarife begünstigt werden: Schließlich verursachen Anlagen, deren Strombedarf an kritischen Tagen reduziert oder vermieden werden kann, viel geringere Anforderungen an die benötigten Kraftwerks- und Netzkapazitäten.

Monovalente Wärmepumpen bieten geringere Flexibilitätspotenziale, selbst bei Ergänzung durch Speicher.

Ein Stück weit könnten auch monovalente Anlagen flexibler eingesetzt werden, wenn sie mit Wärmespeichern ausgestattet werden; jedoch ist es leider zumindest für kleine Anlagen (z. B. einzelne Häuser) wenig praktikabel, eine für die Überbrückung mehrerer Tage ausreichende Speicherkapazität aufzubauen. Immerhin kann Wärme wesentlich besser gespeichert werden als elektrische Energie; beispielsweise ist ein Pufferspeicher für 20 kWh weitaus kostengünstiger realisierbar als ein Solarstromspeicher basierend auf Batterien. Somit können immerhin kurzfristige Verschiebungen innerhalb eines Tages ausgeglichen werden; hierfür dürfte allerdings die Speicherkapazität der Gebäude meist ohnehin schon hinausreichen. Interessanter wäre die Verwendung von Wärmespeichern bei größeren Einheiten.

Power to Heat ist eine kostengünstige, wenn auch nicht besonders effiziente Lösung für die Nutzung kurzzeitig anfallender Stromüberschüsse.

In Zeiten großer Stromüberschüsse könnte auch das Verfahren Power to Heat z. B. mit Elektrodenkesseln zum Einsatz kommen. Dies ist zwar wesentlich weniger effektiv als der Einsatz von Wärmepumpen, die mit der gleichen Menge Strom ein Mehrfaches an Wärme erzeugen könnten, kann also nicht als eine effiziente Sektorkopplung gelten; jedoch sind die Anlagekosten weitaus geringer, sodass sich diese Technik für den Einsatz mit einer geringen Zahl von Betriebsstunden pro Jahr (z. B. wenige hundert) besser eignet. In welchem Umfang Power to Heat langfristig zum Einsatz kommt, hängt z. B. davon ab, wie kostengünstig zusätzliche EE- Erzeugungskapazitäten im Verhältnis zur Energiespeichern und verbesserten Stromnetzen sein werden.

Die Möglichkeit der Sektorkopplung spricht keineswegs gegen die Minimierung des Wärmebedarfs – im Gegenteil!

Natürlich ist es wünschenswert, dass der Energiebedarf des Wärmesektors, der naturgemäß jahreszeitlich stark schwankt, möglichst niedrig ausfällt. Deswegen ist die Minimierung des Wärmebedarfs – beispielsweise durch die energetische Sanierung von Gebäuden im Zuge der Energiewende wichtig; daran ändert sich durch die Möglichkeit der Sektorkopplung wenig. Es ist sogar so, dass die Möglichkeiten für den Einsatz von Wärmepumpenheizungen durch Sanierungen stark zunehmen, damit die Sektorkopplung also erleichtert wird.

Kraft-Wärme-Kopplung

Auch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann als eine Sektorkopplung betrachtet werden. Hier wird Wärme nicht aus Strom erzeugt, sondern fällt als Nebenprodukt der Stromerzeugung an. Somit kann die gesamte Energieeffizienz der Stromerzeugungsanlagen erhöht werden.

Die Kraft-Wärme-Kopplung wird wohl langfristig interessant bleiben – allerdings nur bei flexiblem Einsatz vor allem an Wintertagen.

Natürlich bietet sich der Einsatz der KWK besonders für solche Zeiten an, in denen Wärme- und Strombedarf hoch sind – nicht dagegen in Zeiten, in denen es entweder Stromüberschüsse gibt (etwa aus Windstrom) oder einen geringen Wärmebedarf (etwa im Sommer). Zeiten mit hohem Wärme- und Strombedarf dürften auch bei weiterem starkem Ausbau auf der Wind- und Solarkapazitäten bleiben, da Wind- und Solarstrom in manchen Winterwochen wenig anfallen. Jedenfalls ist aber ein zeitlich gezielter Einsatz der KWK notwendig, um damit langfristig einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten zu können. Ein betriebswirtschaftliches Problem ist hierbei die begrenzte Zahl der Betriebsstunden pro Jahr, insbesondere wenn die Lieferung von Strom in Zeiten mit Engpässen nicht durch entsprechend höhere Einspeisetarife belohnt wird.

Gerade als Ergänzung zu einer stärkeren Verbreitung von Elektrowärmepumpen wäre eine Ausweitung der Kraft-Wärme-Kopplung – ggf. auch in Kleinstanlagen (Mikro-KWK) interessant. Sie liefert nämlich zusätzlichen Strom genau in den Zeiten, in denen Wärmepumpen viel verbrauchen.

KWK muss nicht unbedingt auf fossilen Brennstoffen basieren; sie ist beispielsweise auch mit Biogas, EE-Gas oder Holz möglich. Deswegen kommt KWK auch langfristig für eine klimaneutrale Energieversorgung infrage.

Erzeugung von Brennstoffen und Kraftstoffen

Langfristig müssen fossile Energieträger weitestgehend durch erneuerbare Energie ersetzt werden. Dies bedeutet dann aber, dass die Stromerzeugungskapazitäten auch für den hohen Bedarf des Wärmesektors im Winter ausreichend sein müssen. Damit werden zwangsläufig Überschüsse im Sommer entstehen, die nutzbar gemacht werden sollten. Hierfür bietet sich das Verfahren Power to Gas an, ggf. erweitert durch zusätzliche Technologien:

Sogar der Flugverkehr könnte durch Power to Liquid zukünftig klimaneutral werden.

Wohlgemerkt müsste die Produktion solcher Kraftstoffe nicht unbedingt im Inland erfolgen, da ein Transport über weite Strecken problemlos möglich ist.

Strombasierte Kraftstoffe und Gase werden interessant, wenn einmal sehr große Potenziale für Strom aus erneuerbaren Quellen realisiert sind und vor allem im Sommer regelmäßig hohe Überschüsse entstehen.

Leider ist bei strombasierten Kraftstoffen und Gasen mit hohen Kosten zu rechnen; jedenfalls werden solche künstlichen Brennstoffe und Kraftstoffe wesentlich teurer werden als die bisher aus Erdöl gewonnenen. Dies liegt nicht nur an den Kosten für die Stromerzeugung, sondern vor allem auch an den Kosten für die Elektrolyse, die trotz jahrzehntelanger Optimierung erheblich geblieben sind. Besonders stark fallen diese ins Gewicht, wenn gezielt Stromüberschüsse verwendet werden sollen, also nur eine begrenzte Zahl von Betriebsstunden pro Jahr möglich ist. Somit werden solche Technologien voraussichtlich erst dann wirtschaftlich interessant, wenn die Stromerzeugungskapazitäten so weit ausgebaut sind, dass für viele Stunden im Jahr deutlich mehr Strom zur Verfügung steht, als es für die Deckung des anderen Strombedarfs (inklusive der heute durch fossile Brennstoffe und Kernenergie gedeckten Teile) und zusätzlich für den Großteil der Wärmeerzeugung nötig ist. Freilich wird sich die wirtschaftliche Situation bereits dann wesentlich zugunsten dieser Technologien verändern, wenn fossile Energieträger aus der Konkurrenz ausscheiden – also wenn Klimaschutz zukünftig nicht nur theoretisch als notwendig erkannt, sondern auch konsequent praktiziert wird.

Auch Aspekte der Energieeffizienz müssen hier beachtet werden. Leider geht ein großer Teil der Energie verloren, wenn mit Strom EE-Gas erzeugt wird und diese später wieder verstromt wird. Es ist zu erwarten, dass auch eine weitere Entwicklung der Technologie dies nicht grundlegend ändern wird, da gewisse Energieverluste bei Elektrolyse, Methanisierung und in einem Gaskraftwerk (selbst bei Verwendung von Brennstoffzellen) kaum vermeidbar sind. Selbst wenn die bei diesen Prozessen anfallende Abwärme genutzt werden könnte (was oft kaum praktikabel ist), wäre damit eine Abwertung eines großen Teils der umgesetzten Energiemengen (technisch gesprochen ein Exergieverlust) verbunden.

Aus diesen Gründen sollte man die Erzeugung von EE-Gas weniger als eine Methode zur Speicherung elektrischer Energie ansehen, sondern eher als einen Weg, fossile Energieträger beispielsweise beim Luftverkehr zu ersetzen. Der Bedarf an neuen Speichern für elektrische Energie würde auch nicht allzu groß ausfallen, wenn die Stromerzeugungskapazitäten reichlich bemessen sind, zusätzlich die Stromnetze stark dimensioniert sind (→ Supergrid) und die Stromüberschüsse auf flexible Weise vor allem für die Erzeugung von Synthesekraftstoffen und industriell benötigten Rohstoffen genutzt werden.

Wie kann die Sektorkopplung vorangetrieben werden?

Entscheidend für das Vorankommen der Sektorkopplung ist, dass mit dem Klimaschutz ernst gemacht wird; dies lässt sich keinesfalls durch etwas Forschung und ein paar Förderprogramme ersetzen!

Im Prinzip kann die zunehmende Sektorkopplung durch diverse Anpassungen auf den Energiemärkten automatisch entstehen, sobald der Klimaschutz von der Politik als eine Grundbedingung vorgegeben wird. Wenn beispielsweise die Kosten der Verwendung fossiler Energieträger durch ein wirksames (also die notwendige CO2-Reduktion garantierendes) Emissionshandelssystem massiv ansteigen, werden alternative Technologien (etwa Wärmepumpenheizungen und Elektroautos) nicht mehr durch die Konkurrenz billiger und unbegrenzt verfügbarer fossiler Energieträger niedergehalten. Eine sinnvolle zeitliche Gestaltung der dadurch entstehenden zusätzlichen Stromnachfrage könnte durch ein geeignetes System von Stromtarifen entstehen, welches nicht mehr wie bisher nach fest vorgegebenen Hochtarif- und Niedertarifzeiten (etwa Nachtstrom) unterscheidet, sondern sich nach den tatsächlichen Verhältnissen in den Stromnetzen richtet. Auch kleine Einheiten wie Elektroautos könnten ihren Strombedarf zeitlich so verlagern, dass die vorhandenen Kapazitäten optimal genutzt und damit dann auch die Kosten für die Benutzer minimiert werden. Der springende Punkt ist also, dass mit dem Klimaschutz ernst gemacht wird.

Ergänzend können diverse Verbesserungen regulatorischer Art (z. B. über das Strommarktgesetz) wirken. Beispielsweise könnten die Netznutzungsentgelte nicht mehr pauschal auf die einzelnen verbrauchten Kilowattstunden angerechnet werden, sondern genauer an der tatsächlich verursachten Belastung der Kapazitäten orientiert werden. (Die entsprechenden Kosten könnten erhöht werden zu Zeiten einer starken Beanspruchung der Netze, dagegen zu Schwachlastzeiten reduziert werden oder ganz entfallen.) Ebenfalls könnten Technologien, die keine Verbraucher darstellen, sondern Energiespeicher (z. B. Anlagen für Power to Gas), bei Netznutzungsentgelten entlastet werden, soweit sie tatsächlich zur Stabilisierung der Netze und nicht zu deren zusätzlichen Belastung beitragen; auch Entlastungen bei der EEG-Umlage wären denkbar. Diskutiert wird auch eine pauschale preisliche Entlastung von Wärmepumpenstrom (etwa eine Befreiung von der EEG-Umlage), um diese im Wärmesektor konkurrenzfähiger zu machen – evtl. ergänzt durch eine Anhebung von Steuern auf Brennstoffe; bislang wird in Deutschland Strom wesentlich stärker mit Abgaben belastet als beispielsweise Heizöl und Erdgas. Dies könnte freilich zu einer stärkeren Beanspruchung der Stromnetze führen, wenn beispielsweise Luft/Wasser-Wärmepumpen gefördert werden, die an kalten Tagen ineffizient werden und die Gefahr von Engpässen im Winter besonders begünstigen. Von daher erscheinen differenziertere (aber leider auch kompliziertere) Ansätze als günstiger: beispielsweise eine “dynamische EEG-Umlage”, die vom momentanen Preis an der Strombörse abhängt.

Fazit

Eine verstärkte Sektorkopplung wird voraussichtlich unverzichtbar sein, um eine Energiewirtschaft aufzubauen, die den Klimaschutz ausreichend berücksichtigt. Jedenfalls wäre eine Strategie, die die verschiedenen Sektoren der Energiewirtschaft weiterhin weitgehend separat behandelt, voraussichtlich wesentlich schwieriger und kostspieliger. Insbesondere gilt dies für den Verkehrssektor, der wohl nur in einem geringen Umfang klimaneutral auf der Basis von Biokraftstoffen realisiert werden könnte. Aber auch der Wärmesektor wird kaum ohne eine umfangreiche Elektrifizierung auskommen. Sein im Winter wesentlich größerer Energiebedarf dürfte mittel- bis langfristig zum Ausbau umfangreicher Stromerzeugungskapazitäten führen, die im Sommer dann vermehrt für die Erzeugung von Synthesekraftstoffen und von industriellen Rohstoffen verwendet werden.

Literatur

[1]“Metaanalyse zur Flexibilität durch Sektorkopplung”, Prognos, 04/2016, http://www.prognos.com/uploads/tx_atwpubdb/20160421_Prognos_AEE_Metaanalyse_Flexibilitaet_Sektorkopplung_apr16__002_.pdf
[2]“Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr”, ein Dokument aus einer Kooperation von Fraunhofer-Instituten und der Stiftung Umweltenergierecht, http://www.ifeu.de/verkehrundumwelt/pdf/Interaktion_EEStrom_Waerme_Verkehr_Kurzfassung.pdf
[3]Dr. Bauknecht und M. Vogel (Öko-Institut), “Rahmenbedingungen für Flexibilitätsoptionen”, http://www.oeko.de/oekodoc/2234/2015-017-de.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Elektrifizierung, Energiewende, Wärmewende, Klimaschutz, Power to Gas, Synthesekraftstoff
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Fahrzeuge, Grundbegriffe, Wärme und Kälte

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