Sektorenkopplung Ein wesentlicher Baustein der Energiewende

Beim Begriff „Energiewende“ denken die meisten an die Nutzung von Sonne und Wind zur Erzeugung von regenerativem Strom. Doch Energie ist mehr als nur Strom. Auch zum Heizen und Kühlen oder im Verkehr wird Energie verbraucht. Und diese Energie stammt nachwievor zu einem Großteil aus fossilen Energieträgern. Während Erneuerbare Energien im Jahr 2018 mit einem Anteil von knapp 38 Prozent im Strommix vertreten waren, machten sie jedoch nur etwa 14 Prozent des deutschen Wärmeverbrauchs und gerade einmal 5,6 Prozent des Energieeinsatzes im Verkehrssektor aus. Für den gesamten Energiesektor bedeutet das, dass lediglich knapp 17 Prozent des Endenergieverbrauchs erneuerbar erzeugt wurden.

Damit die Energiewende gelingt und die Klimaschutzziele erreicht werden können, muss der Endenergieverbrauch deutlich gesenkt werden und die Umstellung auf Erneuerbare Energien auch im Wärme- und Verkehrsbereich erfolgen. Dies kann zum einen direkt erfolgen, z.B. über das Heizen eines Hauses durch Solarthermie, zum anderen durch die Nutzung von erneuerbarem Strom, z.B. bei Elektroautos. Im letzteren Fall spricht man dann von Sektorenkopplung.

"Um die von der Bundesregierung gesetzten Klimaschutzziele langfristig zu erreichen, müssen Wind- und Solarstrom zur tragenden Säule der Energieversorgung werden. Das bedeutet eine starke Elektrifizierung des gesamten Energiesystems und macht eine intelligente Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr notwendig", so Prof. Dr. Clemens Hoffmann, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel und Sprecher des ForschungsVerbunds Erneuerbare Energien (FVEE) in Berlin.

Allein die Elektrifizierung von 80 Prozent der Kraftfahrzeuge in der EU bis 2050 würde die Treibhausgasemissionen um 255 Millionen Tonnen reduzieren.

Regenerativer Strom im Zentrum der Sektorenkopplung

Ausgangspunkt und Kern der Sektorenkopplung ist der Strom aus regenerativen Energiequellen. Er ist leicht zu produzieren, klimafreundlich, kann über eine bereits gut ausgebaute Infrastruktur transportiert werden und basiert auf Energiequellen, die auch in vielen Jahrtausenden noch ausreichend verfügbar sind.

Unter dem Überbegriff Power-to-X werden dabei die unterschiedlichen Ansätze der Sektorenkopplung zusammengefasst:

• Power-to-Gas: Erzeugung von Wasserstoff durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse und ggf. anschließender Herstellung von Erdgas aus Wasserstoff und Kohlendioxid (Methanisierung)
• Power-to-Heat: Verwendung von regelbaren Heizelementen in lokalen Wärmespeichern und in Fernwärmesystemen
• Power-to-Mobility: Nutzung der Batteriespeicher in Elektrofahrzeugen zur Aufnahme von Überschussstrom und zur Rückspeisung ins Netz. Alternative Nutzung von aus Power-to-Gas- und Power-to-Liquids-Prozessen erzeugtem Treibstoffen für Erd- und Flüssiggasfahrzeugen und von Wasserstoff für die Brennstoffzellenfahrzeuge
• Kraft-Wärme-Kopplung (Gas to Heat & Power): Erzeugung von Strom und Wärme mit Heizkraftwerken, Blockheizkraftwerken oder Brennstoffzellen
• Power-to-Liquids: Erzeugung von Treibstoffen aus synthetischen Kohlenwasserstoffen (Dimethylester, Kerosin etc.) oder von verwertbaren Grundchemikalien (Methanol) durch Elektrolyse
• Power-to-Chemicals: Einsatz von Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Erzeugung von Grundchemikalien für chemische Produkte

Effizientere Energienutzung ohne Treibhausgase

Die Sektorenkopplung ermöglicht aber nicht nur das Ersetzen fossiler Energieträger in allen Sektoren. Sie hat auch positive Effekte für die Nutzung des erneuerbaren Stroms, der vor allem durch die Energieträger Wind und Sonne bereitgestellt wird. Wind und Sonnenenergie sind volatil, das bedeutet, dass mit ihnen zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel erneuerbare Energie erzeugt wird. In einem Stromsystem mit hohen Anteilen Erneuerbarer Energien steigt naturgemäß die Anzahl der Stunden, in denen das Angebot die Nachfrage übersteigt. Wenn die regenerativ erzeugte Energie in Spitzenlastzeiten nicht verwendet und nicht gespeichert werden kann, müssen die Kraftwerke abgeregelt werden und aufwändig erzeugte Energie geht verloren.

Durch Wärmepumpen, Elektrodenkessel, batterieelektrische Mobilität und stromgenerierte Kraftstoffe stehen mit der Sektorenkopplung zusätzliche steuerbare Verbraucher als sogenannte funktionale Energiespeicher (also Energiespeicher außerhalb des Elektrizitätssektor) bereit. Sie sind in den Phasen verfügbar, in denen der Stromverbrauch niedriger ist als die ins Netz eingespeiste Menge aus Erneuerbaren Energien. Anstatt die Erzeugungsanlagen abzuregeln, kann der Strom dann in den anderen Verbrauchssektoren genutzt und die Netzstabilität gesichert werden.

Die Sektorenkopplung dient aber auch als Strompeicher für Zeiten, in denen die Erzeugung erneuerbaren Stroms geringer ist als der Verbrauch: Stromgenerierte Kraft- bzw. Brennstoffe können zum Teil (Wasserstoff) oder komplett (synthetisches Methan) im bereits vorhandenen Gasnetz gespeichert und im Wärme- und Verkehrssektor sowie zur Rückverstromung genutzt werden. Batterien von Elektroautos, die gerade nicht genutzt werden und an das Stromnetz angeschlossen sind, können zukünftig als Puffer dienen und damit die Stabilität des Stromnetzes ebenfalls unterstützen.

Durch die Sektorenkopplung können also regenerative Energien auch bei Überschussproduktion optimal verwertet und andere Sektoren effizient und ohne Treibhausgasemissionen mit Energie versorgt werden.

"Die Verknüpfung des zentralen Stromsektors mit den Sektoren Wärme und Verkehr ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende: Das schafft neue Flexibilitätsoptionen, gleicht Angebot und Bedarf besser aus und erhöht so Versorgungssicherheit und Systemstabilität. Außerdem setzt die Sektorenkopplung Synergieeffekte frei und optimiert das Gesamtsystem dadurch auch ökonomisch", stellen Prof. Dr. Clemens Hoffmann und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Norman Gerhardt fest.

Die intelligente Kopplung der verschiedenen Sektoren mit Hilfe von energieeffizienten Technologien wie Wärmepumpen, Kraft-Wärme-Kopplung oder Elektroautos ermöglicht außerdem eine deutliche Senkung des Gesamtenergieverbrauchs.

Sektorenkopplung - Leuchtturmprojekte in Deutschland

Den Kommunen kommt beim Umbau der Energiesysteme unter Einbeziehung aller Sektoren eine Schlüsselrolle zu: Die kommunalen Unternehmen sind vor Ort verankert und können zusammen mit ihren Standortgemeinden individuelle Konzepte für die Sektorenkopplung entwickeln.

Stadtwerke Flensburg: Systemstabilität durch Elektroheizkessel

Mit der Inbetriebnahme eines Elektroheizkessels der Stadtwerke Flensburg im Heizkraftwerk Tarp werden abgeregelte Strommengen eines regenerativen Blockheizkraftwerks in speicherbare Wärme umgewandelt und in das Fernwärmenetz eingespeist. So kann der Betrieb eines Heizölkessels zur Sicherung der Fernwärmeversorgung und damit der Einsatz fossiler Energie vermieden werden. Die Anlage ist dafür ausgelegt, innerhalb von Sekunden auf ein schwankendes Stromangebot zu reagieren und hilft somit auch, das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage im Stromnetz zu gewährleisten.

Stadtwerke Prenzlau in Zusammenarbeit mit Enertrag: Energieversorgung durch Wasserstoff aus Hybridkraftwerk

Seit 2011 ist im brandenburgischen Prenzlau ein einzigartiges Hybridkraftwerk in Betrieb. Es soll den praktischen Nachweis erbringen, dass eine sichere und nachhaltige Energieversorgung auf Basis von erneuerbaren Energien möglich ist.

Ist das lokale Stromnetz ausgelastet, fließt der von drei Windkraftwerken erzeugte regenerative Strom über ein Mittelspannungskabel in eine Elektrolyseanlage, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben und der Wasserstoff in Drucktanks gespeichert, die eine örtliche Tankstelle versorgen. Das Hybridkraftwerk erzeugt so klimaneutral mit Hilfe von Windenergie Wasserstoff und setzt diesen bei Bedarf wieder zur Stromerzeugung ein. Hierdurch kann erneuerbare Energie bedarfsorientiert in das Stromnetz eingespeist werden.

Seit Ende 2014 wird der Wasserstoff auch in das öffentliche Erdgasnetz eingespeist. Als „Windgas“ wird der Wasserstoff zum Heizen und Kochen angeboten.

Der Wasserstoff könnte, falls Abnahmegeräte fehlen, auch in den beiden Blockheizkraftwerken (BHKW) am Standort verbrannt werden. Die BHKW werden mit Biogas versorgt, das ebenfalls vor Ort produziert wird. Rohstoffe sind vor allem Gülle und Bioabfälle. Die Abwärme der Motoren wird in ein Fernwärmenetz eingespeist. Überschüssiges Biogas fließt in Drucktanks, um das BHKW ständig einsatzbereit zu halten, falls Regelenergie zur Stabilisierung des Stromnetzes benötigt wird.

Sektorenkopplung als intelligente Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr für den Erfolg der Energiewende unverzichtbar

Die Sektorenkopplung ist für den Übergang zu erneuerbaren Energien unverzichtbar - mit innovativen Technologien wie Wärmepumpen, Elektroautos und Power-to-X-Lösungen. Moderne Speichertechnologien oder die Verwendung von erneuerbarem Strom für die Sektoren Verkehr und Wärme können somit dazu beitragen, die regenerativ erzeugte Energie besser zu nutzen, das Versorgungssystem flexibler und effizienter zu machen, die Energieversorgung zu sichern und den Ausstoß von Treibhausgasen zu begrenzen.

Quellen: Umweltbundesamt, Agentur für Erneuerbare Energien, Heinrich-Böll-Stiftung, juli 2019