Sektorkopplung

Als Beitrag zum internationalen Klimaschutzübereinkommen von Paris und gemäß des europäischen Green Deals wollen die Bundesregierung und die EU bis zum Jahr 2050 klimaneutral sein. Das bedeutet, dass die Nutzung fossiler Energieträger wie Erdgas, Erdöl und Kohle, bei deren Verbrennung klimaschädliches Kohlendioxid (CO₂) entsteht, zugunsten der Verwendung erneuerbarer Energien beendet wird. Bei der Stromproduktion sind regenerative Energien mittlerweile die dominierende Energiequelle, teilweise besteht sogar ein Überangebot an Ökostrom. Die Umstellung im Wärme- und Verkehrssektor kommt im Vergleich dazu allerdings nur langsam voran. Viele Heizungsanlagen werden noch mit Öl oder Gas betrieben, auch Holz führt zu klimaschädlichen Emissionen. Im Verkehrssektor ist ein gewisser Wandel hin zu Elektroautos seit einigen Jahren zwar erkennbar, jedoch werden die meisten Fahrzeuge nach wie vor mit fossilem Treibstoff betrieben. Die Umstellung muss in diesen Sektoren also schneller vorangetrieben werden, um das Ziel der Klimaneutralität erreichen zu können. Um die Energiewende auch in diesen Sektoren anzukurbeln, soll überschüssiger erneuerbarer Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen deshalb künftig zum Heizen und zum Antrieb von Autos eingesetzt werden. Diese engere Verzahnung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr bezeichnet man als Sektorkopplung.

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Intelligente Vernetzung der Sektoren

In intelligenten und digital Stromnetzen, sogenannte Smart Grids, können Energieströme bedarfsgerecht über alle Sektoren hinweg verteilt werden. So ist es etwa möglich, bei besonders hohem Stromaufkommen und gleichzeitig wenig direktem Stromverbrauch – etwa, wenn in der Nacht viel Windenergie gewonnen werden kann – Wärmepumpen gezielt einzuschalten, damit diese in den Gebäuden die Wärmespeicher beladen, deren geladene Energieleistung dann später abgerufen wird. Ebenso können Batterien von E-Autos automatisch aufgeladen werden, wenn gerade mehr Energie im Stromnetz zur Verfügung steht, als direkt wirklich benötigt wird. Bei entsprechender Vernetzung wäre es sogar möglich, die Speicherleistung von Elektroautos als Pufferspeicher für das gesamte Stromnetz zu verwenden. Viele weitere Ideen der Vernetzung sind denkbar.

Stromsektor

Erneuerbare Energien sind mit 234 Terrawattstunden im Jahr inzwischen die dominierende Energiequelle bei der deutschen Stromproduktion (im Jahr 2021, vorläufiger Stand 03/2022, siehe Abb. 3). Die Windkraft nimmt dabei mit 114 Terrawattstunden den größten Anteil ein. Strom ist eine universell einsetzbare Energieform, weswegen er die wichtigste Energieform bei der Sektorkopplung ist. Strom kann zum Beispiel durch Windkraft-, Photovoltaik- oder auch Biomasseanlagen gewonnen und direkt von elektrischen Geräten oder Maschinen genutzt werden. Die Speicherung funktioniert über Batterien oder durch Umwandlung etwa in Wärme oder Gase wie Wasserstoff (Power-to-X). Damit ist die Verwendung von Strom in vielen verschiedenen Bereichen möglich.

Dennoch kommt es immer häufiger vor, dass regenerativ erzeugter Strom abgeregelt wird, wenn es in Zeiten hoher Einspeisung von Wind- und Solarenergie zu einem Überangebot kommt, der keine entsprechende Nachfrage und nur wenige Speichermöglichkeiten gegenüberstehen. So gingen 2021 knapp sechs Milliarden Kilowattstunden Ökostrom verloren, was ungefähr einem Prozent des gesamten deutschen Stromverbrauchs entspricht. Die Kosten für die aufgrund der Entschädigungsansprüche teuren Zwangsdrosselung werden über die Netzentgelte an die Stromkunden weitergegeben. Umso wichtiger ist die Speicherung des überschüssigen Stroms.

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Wärmesektor

Der Wärmebedarf macht mehr als fünfzig Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs aus und ist damit in etwa doppelt doch hoch wie der Strombedarf. Deshalb kommt dem Wärmesektor eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu. Der Anteil an erneuerbaren Energien im Wärmesektor betrug 2021 jedoch lediglich 16,5 Prozent (vgl. Abb. 2). Er wächst also nur sehr langsam, besonders im Vergleich zum Stromsektor. Hier könnten Power-to-Heat-Technologien zum Einsatz kommen, die grünen Strom in Wärme umwandeln. Ein konkretes Beispiel dafür sind Wärmepumpen, die unter Einsatz von Strom Umweltwärme verdichten, sodass diese zum Heizen und zur Warmwassererzeugung genutzt werden kann. Wärmeenergie lässt sich zudem gut speichern, um für eine spätere Nutzung zur Verfügung zu stehen.

Verkehrssektor

Der Verkehrssektor ist der Bereich mit dem bis dato geringsten Anteil an erneuerbaren Energien; 2021 lag er bei gerade einmal 6,8 Prozent (vgl. Abb. 2). Großes Potenzial bietet hier die Elektrifizierung des Individualverkehrs, also von Pkws. Gemäß dem Ziel der Bundesregierung sollen in Deutschland bis 2030 sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen werden. Eine zusätzliche Möglichkeit ist die Nutzung von Wasserstoff als Antriebsenergie. Hier greift die Power-to-Gas-Technologie, bei der unter Einsatz von grünem Strom Wasserstoff hergestellt werden kann.

Im Schienenverkehr ist die Elektrifizierung allerdings zum Großteil abgeschlossen. Bei Omnibussen des ÖPNV ist bisher ebenfalls viel erreicht worden, viele Fahrzeuge sind mittlerweile komplett strombetrieben. Bei LKWs ist aufgrund der hohen Tagfahrleistungen und der großen Zuladungen der Verzicht auf fossile Energieträger jedoch nach wie vor eine Herausforderung. Und auch im Flug-und Schiffsverkehr sind Batteriespeicher bisher keine Lösung.

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Biomasse

Zur Biomasse gehören u.a. Nebenprodukte tierischer Herkunft aus der Landwirtschaft.

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Zu den erneuerbaren Energien zählt auch die Biomasse, also durch Pflanzen oder Tiere angefallene bzw. erzeugte organische Substanzen. Aus diesen lassen sich feste, flüssige oder gasförmige Energieträger erzeugen.

Geothermie

Funktionsprinzip einer oberflächennahen Geothermie

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Die in und unterhalb der Erdkruste vorhandene Wärmeenergie (Erdwärme) kann als Geothermie zur Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden.

Hybridsysteme

In Hybridsystemen werden verschiedene Energieerzeuger (etwa Photovoltaik und Wärmepumpe) zu einem System verbunden.

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Hybridsysteme kombinieren verschiedene Energiequellen miteinander. Dabei können sowohl fossile und regenerative Energieträger als auch ausschließlich verschiedene erneuerbare zusammenkommen.

Klein-Windkraftanlagen

In windstarken Regionen können Klein-Windkraftanlagen zur dezentralen Stromerzeugung eingesetzt werden.

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Auch kleine Anlagen am Gebäude oder in Gebäudenähe können zur regenerativen Strom- oder auch Warmwassererzeugung beitragen, abhängig von der Region und dem dort vorherrschenden durchschnittlichen Windaufkommen.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

KWK-Anlagen gewinnen aus Brennstoffen gleichzeitig Wärme und Strom. Welcher Brennstoff dabei verwendet wird, ist zunächst zweitrangig.

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Unter KWK versteht man die gleichzeitige Gewinnung elektrischer sowie thermischer Energie in derselben Anlage in einem thermodynamischen Prozess. Die gleichzeitige Strom- und Wärmeproduktion ermöglicht eine hohe Primärenergie-Einsparung.

Photovoltaik

Bei der Errichtung von neuen PV-Anlagen auf Dächern oder an Fassaden ist zunächst keine Genehmigung erforderlich.

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Strom ist das wichtigste Energiemedium der Zukunft. Im Sinne einer dezentralen und regenerativen Energieerzeugung kommt Photovoltaikanlagen deshalb eine besondere Bedeutung zu.

Power-to-X-Technologien

Im Power-to-Gas-Verfahren wird regenerativ erzeugte elektrische Energie in ein leichter speicherbares  Brenngas – also in chemische Energie – umgewandelt

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Power-to-X-Technologien leisten einen wichtigen Beitrag, um die Energie sektorenübergreifend und zeitlich unabhängig von Erzeugung und Nutzung zu organisieren.

Sektorkopplung

Im Rahmen der Sektorkopplung wird überschüssiger Ökostrom nicht mehr abgeregelt, sondern zur Erzeugung von Wärme und Antriebsenergie genutzt.

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Röhrenkollektor für die Warmwassererzeugung

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