Eine energische Antwort auf die Bedrohung unserer Lebensgrundlagen durch den Klimawandel fehlt bis heute. Für die Stromversorgung ist ein 100%-Szenario für Deutschland, mit dem wir unseren Beitrag zur Einhaltung des 1,5°-Zieles leisten würden, politisch nicht konkret formuliert. In diesem Beitrag wird ein mögliches 100%-Szenario aufgezeigt.
Wie viel Zeit bleibt?
Die internationalen Klimawissenschaftler haben Ende 2017 ein weltweites Emissionsbudget definiert, bei deren Einhaltung sie eine 66%-ige Chance sehen, dass die Erde sich um nicht mehr als 1,5°C erwärmt. Von diesen damals benannten 420 Gt CO2-Emissionen haben wir weltweit in den Jahren 2018 und 2019 bereits jeweils ca. 10 % verbraucht, in 2020 wird es trotz Corona-Epidemie ähnlich viel werden. Damit sind 30 % des vor ca. 3 Jahren benannten Emissionsbudgets bereits verbraucht! Nimmt man ab 2021 eine lineare Reduktion der CO2-Emissionen an, bleiben maximal 15 Jahre, bis wir bei 0 Emissionen angelangt sein müssen.
Dieser kurze verbleibende Zeitrahmen impliziert, dass jede neue Investition in fossile Energie-Infrastruktur oder Verbraucher, die fossile Energien nutzen, bereits heute teilweise als stranded investment angesehen werden müssen, sofern ihre normale Lebensdauer länger als 15 Jahre beträgt.
Bei der Transformation der Energiewirtschaft können aufgrund der knappen verbleibenden Zeit im Wesentlichen nur Technologien genutzt werden, die bereits marktreif sind oder sehr kurz vor dem Eintritt in den Massenmarktes stehen. Für die CO2-neutrale Stromerzeugung stehen mit der Photovoltaik und der Windkraft heute zwei massenmarktfähige Technologien zur Verfügung, die weltweit und auch in Deutschland ein sehr hohes technisch-wirtschaftliches Potential haben, sofern man bestehende politisch motivierte Restriktionen aufheben würde.
Wie hoch wird der elektrische Energiebedarf?
Der Bedarf an elektrischer Energie lag im Jahr 2019 in Deutschland bei ca. 560 TWh (inklusive industrieller Eigenerzeugung). Der Energiebedarf ist seit mehreren Jahren fast unverändert hoch. Umfangreiche Einsparmöglichkeiten sind nicht offensichtlich, realisierte Einsparungen wurden in der Vergangenheit stets durch erhöhten Bedarf in anderen Bereichen kompensiert. Zukünftig ist vielmehr von einer deutlichen Zunahme des Bedarfs an elektrischer Energie für Mobilität über batterie-elektrische Fahrzeuge und Raumwärme über elektrische Wärmepumpen auszugehen. In beiden Bereichen ist die Elektrifizierung eine sinnvolle Möglichkeit den Energiebedarf CO2-neutral bereitzustellen. Zudem senken diese beiden Technologien den Energiebedarf für die Sektoren Verkehr und Wärme deutlich.
So vermeidet die Elektrifizierung der Mobilität die sehr schlechten Wirkungsgrade des Verbrennungsmotors, die im Ist-Fahrbetrieb bei PKWs kaum über 20% liegen. Bei einem vollständigen Umstieg auf batterieelektrische Fahrzeuge im Bereich PKW und kleine LKW könnte deren heutiger Endenergiebedarf von ca. 565 TWh [1] auf 120 TWh Bedarf an elektrischer Energie sinken [2].
Auch im Bereich der Raumwärme und Warmwasser steht über die elektrische Wärmepumpe eine Technologie zur Verfügung, die den Energiebedarf gegenüber heute um ca. den Faktor 3 senken kann [3]. Reduziert man mittels Wärmedämmung den Raumwärmebedarf um ca. den Faktor 2 und stellt den verbleibenden Wärmebedarf über elektrische Wärmepumpen bereit, würde sich der Energiebedarf von heute 850 TWh, die überwiegend aus Erdgas und Erdöl bereitgestellt werden, auf ca. 150 TWh Bedarf an elektrischer Energie reduzieren.
Insgesamt ergäbe sich damit ein jährlicher Bedarf an elektrischer Energie von 820 TWh (550 + 120 + 150). Der heute nicht elektrische Prozesswärmebedarf von Industrie und Gewerbe (450 TWh) sowie der Energiebedarf für schwere LKW, Schifffahrt und Luftverkehr (zusammen 200 TWh) sind darüber hinaus für eine 100 % CO2-freie Energieversorgung zu decken. In diesem Szenario werden diese 650 TWh Energiebedarf zunächst nicht weiter betrachtet, sondern mit einem elektrischen Bedarf von 820 TWh gerechnet.
Erzeugungs-Potentiale
Als nennenswert ausbaubare Quellen für die Erzeugung elektrischer Energie in Deutschland stehen nur die Photovoltaik und die Windenergie zur Verfügung. Das technische Potential der Wasserkraft ist mit einer jährlichen Erzeugung von ca. 20 TWh fast vollständig ausgebaut. Und für den Anbau von Energiepflanzen wird bereits 10 % der landwirtschaftlichen Fläche verwendet. Inklusive Ernteresten und Restholznutzung liefert die Biomasse ca. 40 TWh elektrische Energie im Jahr.
Nennenswertes Potential hat die Offshore-Windkraft. In den deutschen Meergebieten können ca. 55 GW installiert werden, die dann mit ca. 3.300 kWh Energieerzeugung je kW eine Energiemenge von 180 TWh jährlich erzeugen würden. Bei einer technisch möglichen weiteren Steigerung der installierten Offshore-Leistung durch Installation von mehr Leistung je km² Fläche könnte man die insgesamt installierte Leistung erhöhen, dies würde aber die Energieerzeugung in kWh je kW installierter Leistung durch die Reduzierung der Windgeschwindigkeiten durch Abschattungseffekte deutlich senken. [4]
Rechnet man für die Windkraft an Land mit einem 1:1 Repowering, bei jede kleine Anlagen durch eine moderne große ersetzt wird, dann würde sich die absolute Anzahl der Windkraftanlagen nicht erhöhen, wohl aber deren Leistung. Durch die heutige andere Auslegung würde sich zudem die Anzahl der erzeugten kWh je kW erhöhen. Insgesamt wäre damit ungefähr eine Verfünffachung der erzeugten elektrischen Energie gegenüber der heutigen Erzeugung möglich. Für viele Anlagen müssen dafür neue Standorte gefunden werden, da die dann größeren Anlagen nicht so nah beieinander stehen können wie die heutigen kleineren. Der onshore-Wind könnte damit ca. 500 TWh elektrische Energie bei einer installierten Leistung von ca. 150 GW erzeugen.
Verfünffacht man zusätzlich die heute installierte Photovoltaik-Leistung (PV) würde diese ca. 250 TWh Erzeugung beitragen. Dafür wäre eine installierte PV-Leistung von ca. 270 GW notwendig. Je nach Studie gilt ein Potential auf Dachflächen von bis zu 150 GW als realisierbar. Mindestens 120 GW müssten dafür als Freiflächenanlagen aufgebaut werden.
Insgesamt ergäbe sich durch Wasser, Biomasse, Wind und Photovoltaik so eine Stromerzeugung von 990 TWh (20 + 40 + 180 + 500 + 250).
Abb. 1: Wöchentliche Energieerzeugung und Last simuliert mit Wetterdaten 2018
Speicherbedarf
Die Frage nach der Menge notwendiger Speicher für die Umsetzung eines solchen Ausbauszenarios ist essentiell für die Einschätzung der Machbarkeit. Zunächst kann festgestellt werden, dass bei einem Vollausbau der Offshore-Windkraft und Verfünffachung der Erzeugung durch Onshore-Wind und Photovoltaik sich die Erzeugung je Woche sehr gut dem Bedarf je Woche anpasst. Exemplarisch ist dies für die Wetterdaten 2018 in Abbildung 1 dargestellt. Die PV-Erzeugung füllt das Sommerloch der Windkraft, diese das Winterloch der PV. Die Linie zeigt den Verlauf des heutigen elektrischen Bedarfs je Woche. Elektrische Wärmepumpen werden diesen Verbrauch in den Wintermonaten, überwiegend in den Wochen 1-11 und 47-52) weiter steigen lassen.
Erkennbar ist, dass bei diesem Szenario des Ausbaus, bei dem PV- und Windkraftwerke ausgehend vom heutigen Stand gleichmäßig weiter zugebaut werden, keine Saisonspeicher benötigt werden, also keine Energiemengen aus dem Sommer in den Winter oder umgekehrt transportiert werden müssen. Dies ist für ein in den nächsten Jahren realisierbares Konzept wichtig, da derzeit für Saisonspeicher keine Technik mit ausreichendem Potential für die benötigten Energiemengen zur Verfügung steht.
Benötigte steuerbare Leistung
Um die notwendige steuerbare Leistung in Form von Reserve-Kraftwerken und Speichern ermitteln zu können wurde eine Analyse basierend auf den Viertelstundenwerten der Erzeugung und der Last durchgeführt. Vereinfachend wurden dafür die Ist-Werte der PV- und Winderzeugung des Jahres 2018 verwendet und diese linear hochskaliert ohne zu berücksichtigen, dass ein weiterer regional verteilter Ausbau sowie die heutige andere Auslegung von Windkraftwerken zu einer stärkeren Vergleichmäßigung der Erzeugung führen wird. Diese Vereinfachung führt zu einer Überschätzung des Speicherbedarfs bzw. der notwendigen Reservekraftwerke, die Ergebnisse sind so aber robust und unabhängig von Abschätzungen zur Vergleichmäßigung.
Abbildung 2: Dauerlinien der Restganglinie
Abbildung 2 zeigt die Dauerlinie der Restlast. Also Restlast wird hier die Leistung bezeichnet, die nach Einsatz der Wasser-, Wind-, PV-Kraftwerke und der heute in Deutschland vorhandenen Pumpspeicher sowie der heute möglichen Lastverschiebungen noch durch steuerbare Kraftwerke gedeckt werden muss.
Die Dauerlinie wird ermittelt, indem die Werte der Restlast-Zeitreihe der Größe nach absteigend sortiert werden. Anhand der Dauerline ist leicht ersichtlich, für wie viele Stunden im Jahr welche Leistung aus steuerbaren Kraftwerken bzw. zusätzlichen Speichern benötigt wird.
Bei der hier zugrunde gelegten Verfünffachung von Wind und PV gegenüber heute erreicht die Dauerlinie bereits nach 2.700 Stunden den Wert 0. Damit wird an ca. 6.000 Stunden im Jahr der elektrische Bedarf vollständig ohne den Einsatz von zusätzlichen Speichern direkt durch die regenerative Erzeugung gedeckt. 87 % der elektrischen Lastenergie können direkt durch PV und Wind ohne Zwischenspeicherung gedeckt werden. In den meisten dieser 6.000 Stunden fallen Überschüsse an, die für die Ladung der E-Fahrzeuge, der Wärmebereitstellung durch Wärmepumpen und der Elektrolyse von Wasserstoff verwendet werden.
Nur an 2.700 Stunden reicht die regenerative Erzeugung nicht direkt zur Lastdeckung. Die Bereitstellung elektrischer Energie muss dann durch Reservekraftwerke oder Speicher erfolgen. Eine einfache, preiswerte und heute verfügbare Technik dafür sind gasbetriebene Reservekraftwerke in Form von Gasmotoren, Gas- und Dampfkraftwerken und Gasturbinen. Die benötigten Eigenschaften dieser Kraftwerke und deren Einsatzparameter zeigt Abbildung 3.
Abbildung 3: benötigte Reserve-Kraftwerkstypen: je Ellipse werden 10 GW Leistung benötigt
Ermittelt für ein typisches Jahr wurden die benötigte Energieerzeugung, die Einsatz gesamte im Jahr, die mittlere Einsatzdauer je Einsatz und die Anzahl der Einsätze (Startanzahl) der Kraftwerke. Jede Ellipse steht für Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von 10 GW. Die drei schraffiert dargestellten Ellipsen stehen somit für insgesamt 30 GW Kraftwerksleistung, die mit Einsatzdauern ab 5 Stunden und Einsatzhäufigkeiten von 120 – 150 Anforderungen im Jahr den überwiegenden Anteil der Restlast-Energie (48 von 56 TWh) bereitstellen. Die für solche Kraftwerke verfügbaren Techniken erzielen Verstromungs-Wirkungsgrade von 45 – 60 %, ihre Abwärme kann für die Fernwärmebereitstellung genutzt werden. In diesem Einsatzbereich könnten auch bestehende Müllheizkraftwerke, die für intermittierenden Betrieb ertüchtigt wurden oder Biogasanlagen mit Gasspeichern eingesetzt werden.
Weitere 10 GW steuerbare Erzeugungs-Leistung wird für knapp 200 Mal im Jahr für kurze Zeiträume von 1 bis 4 Stunden benötigt, um 6 TWh Energie zu erzeugen. Dies ist mittels sehr effizienter Gasturbinen oder Gasmotoren mit einem Wirkungsgrad von ca. 40% möglich. Die letzten 30 GW steuerbare Leistung, die benötigt werden, haben eine sehr geringere Einsatzdauer im Jahr von maximal 450 Stunden im Jahr bis zu nur einer Stunde. Die Nutzung von sehr preiswerten Gasturbinen, die dann einen niedrigen Wirkungsgrad von ca. nur 25 % haben, ist in diesem Bereich sinnvoll.
Auch der gesteigerte Einsatz einer Laststeuerung zur Verminderung des Einsatzes bzw. Bedarfs an Spitzenlast-Reservekraftwerken ist denkbar. Ebenso denkbar ist eine Nutzung von in E-Autos vorhandenen Batterien zur Rückspeisung ins Stromsystem. Allerdings konkurrieren solche Systeme mit den sehr preiswert bereitstellbaren Gasturbinen, die dezentral mit lokalen Gasspeichern ausgestattet, sehr preiswert Leistung über mehrere Stunden oder Tage bereitstellen können.
CO2-freie Strom-Erzeugung durch Wasserstoff
In einer Übergangszeit kann man für den Betrieb der Reservekraftwerke Erdgas eingesetzt werden. Um die gesamte Stromerzeugung CO2-frei zu realisieren müssen diese Kraftwerke aber auf einen CO2-freien Brennstoff umgerüstet (oder in späteren Jahren direkt so errichtet) werden. Dazu bietet sich Wasserstoff an. Wasserstoff-Speicherung ist dezentral für kurze Einsatzzeiten z.B. in Röhrenspeichern möglich. Für die Kraftwerke mit längeren Einsatzdauern kann Wasserstoff auch in Untertage-Speichern in größerem Umfang gespeichert werden, Pilotversuche dazu sind geplant. Die in Deutschland vorhandenen Untertagespeicher haben mehr als ausreichend Kapazität, um in einer Dunkelflaute von 4 Wochen die Brennstoffbereitstellung übernehmen zu können. [5]
Die Erzeugung des Wasserstoffes für die Reserve-Kraftwerke kann in Elektrolyseuren in den 6.000 h erfolgen, in denen Überschüsse der regenerativen Erzeugung gegenüber der heutigen Last vorliegen. Unter Berücksichtigung eines Elektrolyseur-Wirkungsgrades von 70 %, eines Energieaufwandes von 10 % für die Wasserstoff Ein- und Ausspeicherung und der für die Reserve-Kraftwerkstypen angegebenen Verstromungswirkungsgrade wird eine elektrische Energie von ca. 160 TWh benötigt. Über den Weg zu Wasserstoff, Speicherung und Rückverstromung werden daraus dann wieder 56 TWh elektrische Energie.
Fazit
Das vorgestellte Szenario zeigt, dass mit einer Verfünffachung der heutigen Wind- und PV-Leistung wesentliche Teile des heutigen Energiebedarfs CO2-frei bereitgestellt werden können. Möglich ist damit die Deckung des heutigen elektrischen Bedarfs, des Bedarfs einer vollständigen elektrifizierten deutschen Flotte von PKWs und kleinen LKWs mit 90 % des heutigen Umfang sowie des Bedarf der durch Dämmung um den Faktor 2 reduzierten Raumwärme mittels elektrischer Wärmepumpe. Ebenfalls abgedeckt ist der Bedarf an elektrischer Energie für die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff für den Betrieb der Reservekraftwerke bei nicht ausreichender regenerativer Erzeugung. Nicht abgedeckt sind in diesem Szenario der Prozesswärmebedarf der Industrie sowie die Bereitstellung von Treibstoff für große LKW, Schiffe und Flugzeuge. Lösung hierfür könnte ein Import von regenerativen erzeugtem Wasserstoff, Methan und Treibstoffen sein. Wenn dieser Weg politisch eingeschlagen werden soll wäre eine bereits nächstes Jahr startende weltweite Ausschreibung für die Anlieferung solcher Energieträger nach Deutschland sinnvoll. Jährlich könnten dann Mengenkontingente versteigert werden, die über einen Zeitraum von 15 Jahren zu einem festen Preis nach Deutschland geliefert werden könnten. Damit könnte ein weltweites Hochlaufen der dafür benötigten Technologien angestoßen werden analog der erfolgreichen kostendeckenden Vergütung für Photovoltaik. Über eine Regel, dass bei zukünftigen Ausschreibungen der Anteil der regenerativen Erzeugung im Exportland eine Mindesthöhe erreicht haben muss, um mitbieten zu können, könnte so zudem der Ausbau der regenerativen Erzeugung in den Exportländern selber angeregt werden.
Alternativ lässt sich durch eine ungefähr nochmalige Verdoppelung der Wind- und PV-Erzeugung in Deutschland gegenüber dem Szenario die Produktion der benötigten Energiemengen auch vollständig in Deutschland realisieren. Ausreichendes technisches Potential ist dafür vorhanden. Die heimische Produktion von Wasserstoff könnte aufgrund der sehr hohen Transportverluste sogar wirtschaftlicher sein als ein Import.
Verweise:
[1] UBA: https://www.umweltbundesamt.de/daten/verkehr/endenergieverbrauch-energieeffizienz-des-verkehrs#textpart-2
[2] Es wurde eine Reduktion der Fahrleistung sowie des Fahrzeugbestandes um jeweils 10 % angenommen.
[3] sofern man die Umweltwärme nicht zum Endenergiebedarf dazuzählt.
[4] https://static.agora-energiewende.de/fileadmin2/Projekte/2019/Offshore_Potentials/176_A-EW_A-VW_Offshore-Potentials_Publication_WEB.pdf
[5] Dies gilt auch unter Berücksichtigung des deutlich niedrigeren Brennwertes von Wasserstoff je Volumen gegenüber Erdgas.