Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich - Ariadne ...
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Ariadne-Report Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 Szenarien und Pfade im Modellvergleich
Der vorliegende Ariadne-Report wurde von den oben genannten Autorinnen und Auto-
ren des Ariadne-Konsortiums ausgearbeitet. Er spiegelt nicht zwangsläufig die Meinung
des gesamten Ariadne-Konsortiums oder des Fördermittelgebers wider. Die Inhalte der
Ariadne-Publikationen werden im Projekt unabhängig vom Bundesministerium für Bil-
dung und Forschung erstellt.
Herausgegeben von Bildnachweise
Kopernikus-Projekt Ariadne Titel: Yeshi Kangrangz / Unsplash; Zu-
Potsdam-Institut für Klimafolgen- sammenfassung: Andrea Boldizsar /
forschung (PIK) Unsplash; Kapitel 1: Ashley Batz / Uns-
Telegrafenberg A 31 plash; Kapitel 2: funky-data / iStock; Ka-
14473 Potsdam pitel 3: Julian Hochgesang / Unsplash;
Kapitel 4: Robin Sommer / Unsplash; Ka-
Oktober 2021 pitel 5: huangyifei / iStock; Kapitel 6: au-
dioundwerbung / istock; Kapitel 7: Clint
Kopernikus-Projekt Ariadne (2021): Adair / Unsplash; Kapitel 8: Adam Vra-
Ariadne-Report - Deutschland auf dem denburg / Unsplash; Kapitel 9: Dan
Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenari- Meyers / Unsplash; Kapitel 10: Micheile
en und Pfade im Modellvergleich. Henderson / Unsplash
https://doi.org/10.48485/pik.2021.006
1
Zusammenfassung
Z.1 Szenarienanalyse zur Klimaneutralität 2045 1
Z.2 Kernelelemente der Transformation hin zur Klima-
neutralität 2045: Was der Modellvergleich zeigt 2
Z.3 Meilensteine für 2030: Was notwendig ist,
um Klimaneutralität 2045 auf den Weg zu bringen 4
Z.4 Elektronen und Moleküle: Die Umstellung auf eine
erneuerbare Energieversorgung 6
Z.5 Transformation der Endnutzungssektoren 8
Z.5.1 Verkehr 8
Z.5.2 Gebäudewärme 9
Z.5.3 Industrie 10
Z.6 Umweltwirkungen der Energiewende 11
Z.7 Systemforschung für die Energiewende:
Weiterer Forschungsbedarf 13
Z.8 Politischer Handlungsbedarf für die
Klimaneutralität 2045 15
Literaturangaben 16
Autorinnen und Autoren
Gunnar Luderer, Claudia Günther, Dominika Sörgel, Christoph
Kost, Falk Benke, Cornelia Auer, Florian Koller, Andrea Herbst,
Klara Reder, Diana Böttger, Falko Ueckerdt, Benjamin Pfluger,
Daniel Wrede, Jessica Strefler, Anne Merfort, Sebastian Rauner,
Kais Siala, Simon Schlichenmaier
DEUTSCHLAND AUF DEM
WEG ZUR KLIMANEUTRALITÄT
2045 – DIE KERNERGEBNISSE
ZUSAMMENGEFASST
Z.1 Szenarienanalyse zur Klima- neuerbaren Energien basierende Ener-
neutralität 2045 gieversorgung schnellstmöglich gelin-
gen? Welche Transformationen müssen
Im novellierten Klimaschutzgesetz (KSG, in der Industrie, beim Verkehr und im
2021) ist das ambitionierte Ziel festge- Gebäudesektor erreicht werden und wie
halten: Schon 2045 will Deutschland Kli- interagieren diese miteinander? Was
maneutralität erreichen. Klimaneutral, muss wann und in welchem Bereich pas-
das bedeutet, sämtliche Treibhausgas sieren, um Klimaneutralität zu errei-
(THG)-Emissionen von der Stromerzeu- chen? Welche Rolle können Wasserstoff
gung über die Industrie bis hin zu Ge- und strombasierte E-Fuels spielen? Und
bäuden, Verkehr und Landwirtschaft so schließlich: Was ist schon bis 2030 not-
weit wie möglich zu reduzieren, während wendig, um den Weg zur Klimaneutrali-
nicht vermeidbare Emissionen durch tät zu ebnen? Es besteht ein hoher Be-
Treibhausgas-Senken ausgeglichen wer- darf an differenziertem Orientierungs-
den. Bis 2045 muss also die Netto-Emis- wissen zur konkreten politischen Ausge-
sionsbilanz auf Null gedrückt werden. staltung dieser Transformation.
Um das zu erreichen, legt das Klima-
schutzgesetz für 2030 das konkrete Zwi- Erstmals stellt die vorliegende Szenarie-
schenziel einer THG-Emissionsminde- nanalyse für Deutschland konkrete
rung um mindestens 65 % gegenüber Transformationspfade zur Klimaneutrali-
1990 fest. tät 2045 auf der Basis eines umfassen-
den Modellvergleichs vor. Das Besondere
Klar ist, dass Klimaneutralität in weniger an dieser Studie des Ariadne-Projektes
als 25 Jahren nur durch eine beispiellos ist, dass sechs Gesamtsystem- und Sek-
zügige und tiefgreifende Transformation tormodelle in einer Studie integriert wur-
des gesamten Energiesystems erreicht den, die sich in ihren jeweiligen Stärken
werden kann. Hinter der Klimaneutrali- ergänzen: Für spezifische Fragestellun-
tät steht also eine gewaltige Kraftan- gen wurde jeweils dasjenige Modell als
strengung, sowohl bei der Bereitstellung Leitmodell hervorgehoben, welches die
als auch bei der Nutzung von Energie in entsprechenden Aspekte am genauesten
den Sektoren Industrie, Gebäude und abbildet. Weitere Modelle wurden ge-
Verkehr. Doch so klar das Ziel ist, so of- nutzt, um Auswirkungen der Transfor-
fen ist der Weg dorthin. Wie kann der mation auf Umweltschutzgüter und die
Umstieg auf eine fast vollständig auf Er- Verteilung der Kosten auf verschiedene
1
Einkommensgruppen zu analysieren. Nutzung von Wasserstoff und E-Fuels ein Z.2 Kernelemente der Transfor-
Dieser breit gefächerte Ansatz ermög- zügigerer Hochlauf der entsprechenden mation hin zur Klimaneutralität
licht es, die Implikationen der Energie- Produktionskapazitäten und Infrastruk- 2045: Was der Modellvergleich
wende robust und im Detail zu beschrei- turen benötigt. Zusätzlich werden auf- zeigt
ben. Im Unterschied zu bereits existie- grund der hohen wirtschaftlichen und
renden Szenarien (Prognos, Öko-Institut, geopolitischen Relevanz unterschiedliche Über alle eingesetzten Modelle und Tech-
Wuppertal-Institut, 2021) wurde nicht Ausprägungen von Importmöglichkeiten nologieannahmen hinweg lassen sich
nur ein Transformationspfad modelliert, analysiert. Durch die vorliegende Modell- von den hier entwickelten Klimaschutz-
sondern insgesamt sechs Zielerrei- vielfalt und Szenario-Variationen können pfaden die folgenden acht Kerneinsich-
chungsszenarien. Diese Zielszenarien einerseits Bandbreiten plausibler Ent- ten robust ableiten:
wurden in vier Szenariogruppen geclus- wicklungen sowie Unsicherheiten abge-
tert, die sich bezüglich der Rolle von leitet werden. Andererseits ist es mög- 1. Die zentralen Energieträger in ei-
Elektrifizierung, Wasserstoff und synthe- lich, sowohl Spielräume als auch nem klimaneutralen Energiesystem
tischen E-Fuels sowie der Importe Erneu- kritische Engpässe der Energiewende ab- sind hauptsächlich erneuerbarer
erbarer Energie unterscheiden (Tabelle zuschätzen, wie beispielsweise den Min- Strom, grüner Wasserstoff und grü-
Z.1). Die unterschiedlichen Technologie- destbedarf an Strom aus Erneuerbaren ne E-Fuels sowie nachhaltig erzeug-
ausrichtungen führen zu verschiedenen Energien (EE) oder die Größenordnung te Biomasse. Die Szenarienanalyse
Profilen in den Transformationsheraus- notwendiger sogenannter negativer zeigt, dass der Weg zur Klimaneutra-
forderungen: Während beispielsweise Emissionen, also CO2-Entnah-men aus lität über einen nahezu vollständigen
eine stärkere Elektrifizierung eine der Atmosphäre zum Ausgleich nicht Verzicht auf fossile Energieträger er-
schnellere Transformation der Endnut- vermeidbarer Emissionen. reichbar ist. Während heute Mineral-
zung erfordert, wird für die verstärkte öl, Erdgas und Kohle noch knapp
80 % der Primärenergienachfrage
Tabelle Z.1: Überblick über die für die Modellanalyse erarbeiteten Kernszenarien decken (AGEB, 2020a) sinkt ihr Anteil
in einem klimaneutralen Deutsch-
land in allen Zielszenarien langfristig
auf nahe Null (Abbildung Z.1e). Die
Nutzung fossiler Brennstoffe wird
auch aufgrund von substantiellen
prozessbedingten und landwirt-
schaftlichen Restemissionen sowie
langen Planungsvorläufen und be-
grenzter Verfügbarkeit von Kohlen-
stoffabscheidung und -speicherung
(CCS) limitiert (Kapitel 8).
2. Eine zunehmend erneuerbare
Stromversorgung ist die tragende
Säule der weiteren Dekarbonisie-
rung des Energiesystems. Die Dekar-
bonisierung der Stromversorgung
kann deutlich schneller erreicht wer-
den als jene der nicht-elektrischen
Energieversorgung. Um Deutschland
auf Kurs zur Klimaneutralität 2045
zu bringen, sinkt die CO2-Intensität
der Stromversorgung – also die fossi-
len CO2-Emissionen pro bereit ge-
stellter Kilowattstunde – bereits bis
2030 um 82-92 % gegenüber 2019,
maßgeblich aufgrund eines be-
schleunigten Kohleausstiegs (siehe
Z.3). Die begrenzte Verfügbarkeit von
Bioenergie, Wasserstoff und E-Fuels
führt dazu, dass die fossile CO2-Inten-
Im Trend-Szenario werden die Politikambitionen vor dem KSG2019 fortgeschrieben („Bundes-Klimaschutzgesetz (KSG)“, sität nachfrageseitig genutzter
2019).
Brennstoffe erst ab 2035 spürbar
sinkt (Abbildung Z.1c und d).
2
Abbildung Z.1: Charakteristische Eigenschaften von Transformationspfaden zur Klimaneutralität
a) b)
c) d)
e)
(a) Sektorale Treibhausgasemissionen im Technologiemix-Szenario (REMIND Modell); (b) Spannbreite der energiebedingten CO2-Emissionen (inkl. negativer Emissionen durch BECCS) und der
Gesamttreibhausgasemissionen in verschiedenen Zielszenarien (REMIND und TIMES-PanEU Modelle); fossile CO2-Intensität (c) der Stromerzeugung und (d) der Brennstoffnutzung in den Nach-
fragesektoren; (e) Entwicklung des Endenergiebedarfs inklusive stofflicher Nutzung bis 2050 (REMIND-Mix-Szenario), sowie Endenergiebedarfen in 2045 für verschiedene Modelle und Szenari-
en.
3. Die direkte Elektrifizierung des 4. Die Steigerung der Energieeffizienz 5. Die Klimaneutralität 2045 erfordert
Energieverbrauchs spielt eine zen- führt in den Zielszenarien bis 2045 die vorherige Erreichung der CO2-
trale Rolle. In den Zielszenarien zu einem Rückgang des Endenergie- Neutralität sowie die Erschließung
steigt der Anteil der Elektrizität an verbrauchs um 34-59 % gegenüber von Senken zur CO2-Entnahme.
der Endenergie von 18 % in 2019 bis 2019. Weil die Nutzung von Strom Trotz eines weitgehenden Ausstiegs
2045 auf 40-69 %. Zusätzlich zu die- bei vielen Anwendungen – beispiels- aus der Nutzung fossiler Energien
ser direkten Elektrifizierung trägt die weise in Form von E-Mobilität oder werden jährlich CO2-Senken im Um-
indirekte Elektrifizierung über Was- Wärmepumpen – eine deutlich besse- fang von mindestens 41-74 MtCO2
serstoff und synthetische Kraftstoffe re Umwandlungseffizienz hat als die benötigt, um verbleibende Treib-
zu 8-37 % zur Endenergie bei (siehe Nutzung von Brennstoffen, trägt die hausgasemissionen zu kompensieren
Z.4). Somit erfolgt die Umstellung in Elektrifizierung zudem maßgeblich – insbesondere schwer vermeidbarer
den Sektoren Verkehr, Gebäude, In- zur Minderung der Endenergienach- prozessbedingte CO2-Emissionen der
dustrie von fossilen Brennstoffen auf frage bei. Szenarien mit hohen Effizi- Industrie sowie Methan- und Lachga-
Strom, Wasserstoff, E-Fuels und Bio- enzsteigerungen führen zu geringe- semissionen aus der Landwirtschaft.
masse. Für diese Umstellung ist es ren Zubaubedarfen für Erneuerbare Die benötigte CO2-Entnahme könnte
erforderlich, die heimische Erzeu- Energien. auch höher ausfallen, wenn zum Bei-
gung von Wind und PV massiv zu spiel die vollständige Vermeidung
steigern. energiebedingter CO2-Emissionen
3
oder eine deutliche Reduktion der 8. Die Klimaschutz-Ziele für 2030 und 1. Eine stärkere Dekarbonisierung der
Emissionen aus der Viehzucht nicht 2045 sind extrem herausfordernd Energiewirtschaft bis 2030 ist kos-
realisiert werden. und können nur mit massiven In- tengünstiger als der im KSG2021
vestitionen, zusätzlichen politischen vorgesehene Transformationspfad.
6. Es gibt verschiedene Optionen zur Maßnahmen und Infrastrukturauf- Das laut KSG2021 festgelegte Ge-
CO2-Entnahme, deren technisches bau in allen Sektoren erreicht wer- samtziel für 2030 – eine Reduktion
Potenzial sich bis 2045 auf über 100 den. Die starke Beschleunigung der der Treibhausgasemissionen von
MtCO2 summieren könnte. Dabei un- Energiewende bis 2030 ist von be- 65 % gegenüber 1990 – wird in allen
terliegen alle Optionen spezifischen sonderer Relevanz. Ohne enorme De- Szenarien annahmebedingt erreicht
Risiken wie hohem Ressourcenauf- karbonisierungs- und Infrastruktur- (Abbildung Z.2). Allerdings werden
wand und schädlichen Umweltwir- maßnahmen in diesem Jahrzehnt die sektoralen Ziele des Verkehrs-
kungen. Zusätzliche Einschränkun- werden die Klimaschutzziele für und Gebäudesektors in vielen Szena-
gen können aus mangelnder 2030 verfehlt – damit würde auch rien verfehlt und durch stärkere
Permanenz und gesellschaftlicher das Erreichen des Langfristziels der Emissionsminderungen in der Ener-
Akzeptanz resultieren. Aufgrund der Klimaneutralität 2045 hochgradig giewirtschaft ausgeglichen. Das im
bestehenden Unsicherheit über die unwahrscheinlich werden. KSG2021 festgelegte Ziel für den Ge-
zukünftige Senkenleistung der Bio- bäudesektor in 2030 ist nur unter
sphäre sowie des Risikos, dass durch sehr großen Anstrengungen erreich-
Umwelteinflüsse wie Waldbrände bar und nicht Teil des kostenoptima-
oder Schädlinge der Kohlenstoffspei- Z.3 Meilensteine für 2030: Was len Transformationspfads. Im Ver-
cher im Wald verloren geht, sollten notwendig ist, um Klimaneutra- kehrssektor wird das 2030-Sektorziel
auch technische CO2-Senken, bei- lität 2045 auf den Weg zu brin- durch die hier modellierte Antriebs-
spielsweise durch Bioenergienutzung gen wende in der Mehrheit der Szenarien
mit Kohlenstoffabscheidung und - verfehlt.
speicherung, entwickelt werden. Die- In dieser Dekade sind im Vergleich zum
se sind auch wichtig, um die Klima- letzten Jahrzehnt deutlich gesteigerte 2. In den kostenoptimalen Zielszenari-
ziele gegen das Risiko potentiell hö- Klimaschutzanstrengungen in allen Sek- en erfolgt der Ausbau von Wind und
herer Restemissionen abzusichern. toren notwendig, um die für 2030 fest- Photovoltaik (PV) deutlich stärker
gelegten Emissionsminderungsziele des und der Kohleausstieg deutlich frü-
7. Die Energiewende bringt einen er- KSG2021 zu erreichen und gleichzeitig her als bislang vorgesehen: So kön-
heblichen Zusatznutzen für die Ge- entscheidende Weichen für das Langfrist- nen die Emissionen der Energiewirt-
sundheit, geht aber auch mit neuen ziel der Klimaneutralität zu stellen. Fol- schaft bis 2030 um etwa zwei Drittel
Herausforderungen auf anderen gende sechs Meilensteine für 2030 erge- gegenüber 2019 gesenkt werden
Umwelthandlungsfeldern einher. ben sich aus der Szenarienanalyse und (Abbildung Z.3b). Für die starke De-
Die Energiewende erhöht den Bedarf dem Modellvergleich: karbonisierung der Energiewirtschaft
an den Metallen Lithium, Nickel, Ko-
balt, Dysprosium, Iridium und Vana-
dium auf ein Niveau, das angesichts
der begrenzten globalen Reserven zu Abbildung Z.2: Sektorale Treibhausgasemissionen der Leitmodelle im Technologiemix-Szenario (farbige
Balken) sowie Bandbreite über Szenarien und Modelle hinweg (schwarze Boxen)
kritischen Engpässen führen könnte.
Der Flächenbedarf für die Energiebe-
reitstellung in Deutschland könnte
hingegen sogar leicht reduziert wer-
den: obwohl sich durch den Anstieg
des Bedarfs an einheimisch produ-
ziertem erneuerbarem Strom der
Flächenbedarf für Wind- und Freiflä-
chen-PV-Anlagen erhöht, kann dieser
jedoch gleichzeitig durch einen Rück-
gang der Anbaufläche für Biomasse
kompensiert werden. Die zunehmen-
de Abkehr von Verbrennungsprozes-
sen führt zu einem erheblichen Zu-
satznutzen der Energiewende, da sie
Luftverschmutzung verringert und so Die grauen Balken zeigen das entsprechende Sektorziel laut KSG2021 (KSG, 2021).
die öffentliche Gesundheit verbes-
sert.
4
bis 2030 ist eine Verdreifachung der Abbildung Z.3: Ausgewählte Indikatoren zur Erreichung der Meilensteine 2030
Wind- und PV-Erzeugung laut RE-
MIND und REMod auf 550-615 TWh a) b)
bis zum Jahr 2030 notwendig (Abbil-
dung Z.3a) – das liegt erheblich über
den derzeit im EEG2021 anvisierten
Strommengen (2029: 376 TWh). Die
hierfür erforderlichen Kapazitäten für
Wind und PV liegen am oberen Rand
des auf Basis von geographisch hoch
aufgelösten Analysen abgeschätzten
Ausbaukorridors (Kapitel 5). Laut c) d)
energyANTS-Modell ist ein Zubau für
2030 in Höhe von etwa 120 GW Wind
und 185 GW PV notwendig, um die
hohe Erzeugung zu realisieren (Kapi-
tel 5). Nur durch eine deutliche Re-
duktion der Endenergienachfrage
um etwa 35 % bis 2030 durch Effizi-
enzgewinne wären die Ausbaupfade e) f)
des EEG2021 (EEG, 2021) mit den
Klimazielen für 2030 vereinbar
(TIMES-PanEU-Modell). Darüber hin-
aus zeigen alle Szenarien, dass die
Kohleverstromung aufgrund der CO2-
Bepreisung zunehmend unwirt-
schaftlich wird, was zu einem voll-
ständigen oder nahezu vollständigen
Ausstieg aus der Kohleverstromung (a) Spannbreite der Wind- und PV-Erzeugung in allen Szenarien in den Leitmodellen REMIND und REMod sowie in TIMES-Pa-
nEU im Technologiemix-Szenario und energyANTS im Kombinations-Szenario2;(b) Stromerzeugung aus Kohle im Technolo-
bis 2030 führt (Abbildung Z.3b). Der
giemix3; (c) Bestand an E-Pkw im Technologiemix -Szenario (Liniendiagramm) sowie in allen anderen Szenarien (rote Fläche);
stark erhöhte Anteil an Erneuerba- (d) Bestand an Wärmepumpen im Technologiemix-Szenario (Liniendiagramm) sowie in allen anderen Szenarien (rote Flä-
ren Energien am Strommix (2030: che);(e) Power2Heat- und Elektrolyse-Wasserstoffnachfrage der Industrie im Leitmodell FORECAST im Mix-Szenario (Linien-
diagramm) sowie in allen anderen Szenarien (rote Fläche); (f) CO2-Abscheidung und -Speicherung im Mix-Szenario (Liniendia-
76-89 %) sowie die steigende Strom- gramm) sowie in allen anderen Szenarien (rote Fläche).
nachfrage machen zudem einen be-
Quellen: (BNetzA, 2019; EEG, 2021; KohleAusG, n.d.; KSPr, 2019)
schleunigten Ausbau der Netzinfra-
struktur im Bereich der
Übertragungs- und Verteilnetze un- bäuden an das Fernwärmenetz. Für Annahme, dass wenig öffentlich und
erlässlich. die Dekarbonisierung des Verkehrs- öffentlich wenig schnell geladen
sektors bis zum Jahr 2045 sind be- wird, mindestens 50.000 öffentlich
3. In den Endnutzungssektoren Gebäu- reits bis 2030 bedeutende Schritte in zugängliche Schnellladepunkte in
de, Verkehr und Industrie muss be- der Antriebswende nötig. In der Kombination mit etwa 480.000 öf-
reits bis 2030 ein konsequenter nächsten Dekade spielt die direkte fentlich zugänglichen Normallade-
Umstieg der Energieträger durch di- Elektrifizierung des Personenver- punkten1. Im Industriesektor ist der
rekte und indirekte Elektrifizierung kehrs eine prioritäre Rolle. Laut der Zeithorizont bis 2030 entscheidend,
stattfinden, um den Kurs auf Klima- Verkehrsleitmodelle DEMO und VEC- denn in diesem Zeitraum müssen
neutralität 2045 anzupassen. Laut TOR21 sind in allen Technologiepfa- CO2-neutrale Verfahren vom Pilot-
dem Sektorleitmodell REMod erfor- den mindestens 14 Mio. E-Pkw im Be- und Demonstrations-Maßstab auf in-
dert die Dekarbonisierung des Ge- stand des Jahres 2030 erforderlich dustrielles Niveau skaliert und wirt-
bäudesektors bereits vor 2030 einen (Abbildung Z.3c). Diese Zahl über- schaftlich betrieben werden können.
Dreiklang aus einer steigenden jährli- steigt die Zielspanne von 7-10 Mio. Laut Sektormodell FORECAST ent-
chen Sanierungsrate auf 1,5-2 %, der des noch aktuellen Klimaschutzpro- fällt die höchste Minderung bis 2030
Installation von etwa 5 Mio. Wärme- gramms 2030 (KSPr, 2019) um 40 %. mit mehr als 30 MtCO2 auf den
pumpen (Abbildung Z.3d) sowie den Ein damit konsistenter Ausbau der Brennstoffwechsel (für Dampferzeu-
Neuanschluss von etwa 1,6 Mio. Ge- Ladeinfrastruktur erfordert unter der gung und Öfen) hin zu Strom, Was-
1 Die Anzahl der benötigten öffentlichen Ladepunkte hängt sowohl vom gesamtwirtschaftlichen Technologiefokus (direkte vs. indirekte Elektrifi-
zierung) als auch vom Ladeinfrastrukturkonzept (Anteil Schnellladestationen) und Ladeverhalten (öffentlich vs. privat) ab.
2 Für die Berechnung der implizierten EEG-Erzeugungsmengen werden die Zielkapazitäten des EEG2021 für 2030 mit 2900 Volllaststunden für
Onshore Wind, 4000 Volllaststunden für Offshore Wind, 1000 Volllaststunden für PV (Kapitel 5) verrechnet.
3 Zur Berechnung der aus dem KohleAusG resultierenden Kohlestrommenge werden die im KohleAusG für 2030 angegebenen Kapazitäten mit
5 durchschnittlich 5200 Volllaststunden in Anlehnung an (Gierkink et al., 2019; Graichen et al., 2019; Matthes et al., 2019) verrechnet.
serstoff und Gas (Abbildung Z.3e), de- Z.4 Elektronen und Moleküle: Bruttostrombedarfs auf 780-1.580 TWh
ren Bereitstellung entsprechend ge- Die Umstellung auf eine erneu- im Jahr 2045. Die Bandbreite des Strom-
währleistet werden sollte. erbare Energieversorgung bedarfs wird maßgeblich durch den Um-
fang erneuerbarer Energieimporte und
4. Der Technologiehochlauf von Was- Zusätzlich zur direkten Elektrifizierung die Entwicklung der nachfrageseitigen
serstoff und E-Fuels muss zügig be- kommt der indirekten Elektrifizierung Energieeffizienz bestimmt. Im Vergleich
ginnen, um die hohen Langfristbe- der Energieversorgung über erneuerba- zu seinem heutigen Niveau von etwa
darfe decken zu können. Die ren Wasserstoff und E-Fuels eine wichti- 580 TWh in 2019 (AGEB, 2020b), steigt
Verfügbarkeit von erneuerbarem ge Rolle zu. Klar ist, dass angesichts der der Bruttostromverbrauch um etwa
Wasserstoff und E-Fuels wird zumin- begrenzten Verfügbarkeit nachhaltiger 23-34 % bis 2030 und 70-170 % im Jahr
dest mittelfristig bis in die 2030er- Biomasse und von Geothermie fossile 2045 in allen Zielszenarien von REMIND
Jahre beschränkt bleiben. Entspre- Energieträger zukünftig zu großen Teilen und REMod (Abbildung Z.4a). Im Modell
chend wird in den Szenarien ihr Ein- sowohl durch Strom (direkte Elektrifizie- TIMES-PanEU, welches sehr hohe Effizi-
satz für Anwendungen dort priori- rung) als auch Wasserstoff und E-Fuels enzverbesserungspotenziale in allen Sek-
siert, wo es keine Möglichkeit zur (indirekte Elektrifizierung) ersetzt wer- toren annimmt, steigt die Bruttostrom-
direkten Elektrifizierung gibt, zum den müssen (Kapitel 6). Die Umstellung nachfrage bis 2045 lediglich um
Beispiel Ammoniakproduktion, Pri- auf Erneuerbare Energien über die direk- 34-48 %.
märstahlerzeugung, Grundstoffche- te Elektrifizierung („Elektronen“) zeich-
mie sowie Flug- und Schiffsverkehr. net sich durch eine besonders hohe Um- Der überwiegende Teil der Stromnach-
Für den Industriesektor besteht laut wandlungseffizienz aus. Die Nutzung der frage wird durch einen massiven Aus-
Sektormodell FORECAST ein Wasser- Erneuerbaren über Wasserstoff und E- bau der einheimischen Stromerzeu-
stoffbedarf von etwa 40 TWh in 2030 Fuels („Moleküle“) ist insbesondere für gung aus Solar- und Windenergie auf
(Technologiemix-Szenario) (Abbil- die Produktion von Primärstahl, die 630-1.480 TWh im Jahr 2045 gedeckt. In
dung Z.3e). stoffliche Nutzung in der chemischen In- einem Großteil der Szenarien müssen
dustrie und schwer elektrifizierbare End- die in Kapitel 5 ermittelten Potenziale für
5. Das Ziel der Klimaneutralität ist nutzungen wie Hochtemperaturprozesse Sonnen- und Windstromerzeugung voll-
ohne CO2-Entnahmen nicht erreich- oder den Flugverkehr relevant. Zudem ständig genutzt werden. So spielen so-
bar. Der Technologiehochlauf sowie kann die flexible Erzeugung von Wasser- wohl PV-Freiflächenanlagen, Dachanla-
der Infrastruktur-Aufbau sollten da- stoff einen bedeutenden Beitrag zur Inte- gen, Wind Onshore als auch Wind
her bis 2030 signifikante Mengen er- gration fluktuierender erneuerbarer Offshore eine wichtige Rolle. Das untere
reichen. Für die Pilotierung der Ab- Stromerzeugung leisten. Ende der Bandbreite wird durch Pfade
scheidung und geologischen CO2- mit sehr hoher Effizienzverbesserung
Speicherung erscheinen 2-5 Mio. t Die direkte und indirekte Elektrifizie- (TIMES-PanEU-Modell) beschrieben. Je
CO2 in 2030 als sinnvoller Meilen- rung der Energienachfrage führt zu ei- höher der Gesamtstrombedarf 2045 ist,
stein (Abbildung Z.3f). Zudem sollten ner massiven Zunahme des nationalen zum Beispiel durch hohe einheimische
auch landbasierte Methoden wie die
Kohlenstoffbindung im Boden oder
Abbildung Z.4: Entwicklung der Elektrifizierung
eine erhöhte Senkenleistung des
Waldes gefördert werden.
a) b)
6. Infrastruktur: Die modellierten Men-
gen an Strom, Fernwärme, Wasser-
stoff sowie relevanten Kenngrößen
für die Sektorkopplung wie E-Fahr-
zeuge und Wärmepumpen liegen
über den Mengen, die in den aktuel-
len Infrastrukturplanungen vorge-
sehen sind (Abbildung Z.3a, c, d).
Eine rasche Anpassung der Infra-
strukturplanung und ihre Umset-
zung ist daher notwendig.
(a) Bruttostromnachfrage in den Gesamtsystemmodellen REMIND und REMod in allen Zielszenarien und (b) Entwicklung der
Stromerzeugung aus Wind und PV in den Gesamtsystemmodellen REMIND und REMod (gelb hinterlegt) sowie in TIMES-
PanEU in allen Zielszenarien und energyANTS im Kombinations-Szenario.
6
Abbildung Z.5: Gesamtstrombedarfe im Inland und Ausland in den Modellen REMIND, REMod* in ausge- deckt werden. Die zunehmende direkte
wählten Zielszenarien4
und indirekte Elektrifizierung der Ende-
nergienachfrage schafft also starke Syn-
ergien zur Integration des fluktuierenden
erneuerbaren Stroms. Demand-Side-Ma-
nagement des konventionellen Ver-
brauchs aus bestehenden Stromanwen-
dungen leistet langfristig hingegen einen
vergleichsweise geringen Beitrag zur Fle-
xibilisierung des Stromsystems.
In den Zielszenarien besteht eine erheb-
liche Bandbreite bezüglich des jeweili-
gen Grads an direkter und indirekter
Elektrifizierung der Endenergienachfra-
ge sowie den daraus resultierenden
Mengen an Strom, Wasserstoff und E-
Power-to-X-Erzeugung, desto geringer ist sowie der Brennstofferzeugung. Fuels (Abbildung Z.7). Im Zieljahr der Kli-
der Spielraum bezüglich des Erneuerba- maneutralität liegt der Anteil von Strom
ren-Ausbaupfades und der Gewichtung Power-to-Fuel-Technologien, zeitlich fle- an der Endenergie zwischen 40 % und
zwischen Wind und Solar. Für das Jahr xible Wärmeerzeugung für Gebäude 69 % (Abbildung Z.7a). Wasserstoff und
2030 überschreitet die Wind- und Solar- und Industrie sowie Batteriespeicher er- E-Fuels decken zusammen zwischen 8 %
stromerzeugung den Strommengenpfad möglichen eine erhebliche Verbesse- und 37 % des Endenergiebedarfs des
des EEG2021 deutlich (siehe Z.3). Der rung der zeitlichen Abstimmung von Er- Jahres 2045 (Abbildung Z.7c). In Szenari-
Vergleich der notwendigen Gesamt- zeugung und Verbrauch, so dass eine en mit Fokus auf direkter Elektrifizierung
strommengen in den unterschiedlichen effektive Nutzung der erneuerbaren Er- wird die Nutzung von E-Fuels im Wesent-
Technologieszenarien führt zu zwei wich- zeugung aus Wind- und Sonnenstrom lichen auf Anwendungen in spezifischen
tigen Schlussfolgerungen: Erstens ist in möglich wird (Abbildung Z.6). In den Industriesektoren, Schiffs- und Flugver-
allen Szenarien eine hohe heimische Zielszenarien wird in der Zeitspanne kehr, sowie als Backup-Energieträger in
Stromerzeugung notwendig. Zweitens 2041-2045 nur 2-6 % der Stromerzeu- der Energiewirtschaft beschränkt blei-
führt eine Fokussierung auf Wasserstoff gung abgeregelt. In Zeiten geringer er- ben. In Wasserstoff-fokussierten Szenari-
und E-Fuels zu einer erhöhten Importab- neuerbarer Stromerzeugung wird die fle- en spielen Brennstoffzellenfahrzeuge im
hängigkeit, da diese zu großen Teilen im- xible Nachfrage durch Sektorkopplungs- Schwerlastverkehr eine dominante Rolle,
portiert werden müssen. Diese Importe technologien zurückgefahren, während zudem wird Wasserstoff zum dominan-
erfordern wiederum Stromerzeugungs- die verbleibenden Lücken zur inflexiblen ten Energieträger für Hochtemperatur-
mengen von bis zu 1.500 TWh/a im Aus- Nachfrage durch Ausspeichern und auf prozesse in der Industrie.
land und verlagern somit einen Teil der synthetischem Methan oder Wasserstoff
Energiewende-Transformationsleistung basierenden Backup-Kraftwerken ge-
ins Ausland (Abbildung Z.5, Abschnitt
Z.6).
Abbildung Z.6: Flexibilisierung des Stromsystems
Die zunehmende Bedeutung der Strom-
erzeugung aus fluktuierender Wind-
und Solarenergie erfordert Energiespei- a) b)
cher sowie eine zunehmende Flexibili-
sierung des Energiesystems. Die Detail-
analysen in Kapitel 7 zeigen, dass es
auch in den erneuerbar dominierten, kli-
maneutralen Energiesystemen ausrei-
chend technische Ansätze gibt, um
Stromangebot und -nachfrage in Ein-
klang zu bringen. Eine besonders wichti-
ge Rolle spielt dabei die Sektorkopplung,
also die zunehmende Verzahnung der (a) Gesammelte flexible Stromabgabe bei Strommangel; (b) gesammelte flexible Stromabnahme bei Stromüberschuss. Ge-
zeigt ist jeweils der Durchschnitt in den Jahren 2041–2045 des Technologiemix-Szenarios im REMod-Modell. Die Ergebnisse
Stromwirtschaft mit den Nachfragesek-
zum Demand-Side-Management des konventionellen Stromverbrauchs wurden mit dem Modell E2M2 erarbeitet.
toren Industrie, Verkehr und Gebäude
4 Für die Berechnung der implizierten Strommengen im Ausland wird eine Effizienz von 60% für Wasserstoff und 40% für E-Fuels angenommen.
7 In REMod* wurden Bedarfe für nicht-energetische Nutzung von Wasserstoff und E-Fuels im Industriesektor auf Basis des FORECAST-Modells er-
gänzt.Abbildung Z.7: Anteil Strom, Wasserstoff sowie Wasserstoff + E-Fuels am gesamten Endenergieverbrauch gen schon in den 2020er-Jahren mit
inklusive Bunkertreibstoffen und stofflicher Nutzung in den Gesamtsystemmodellen gruppiert nach Sze-
narien dem Ziel der Klimaneutralität kompati-
bel sein. Infrastrukturen, der Gebäude-
a) bestand sowie Industrieanlagen zeich-
nen sich durch besonders lange Lebens-
dauern aus. Bereits bis 2030 haben E-
Pkw im motorisierten Individualverkehr,
Wärmepumpenheizsysteme bei der Ge-
bäudewärme und elektrische Kessel bei
der industriellen Dampferzeugung bei
den Neuanschaffungen eine wichtige
oder dominante Stellung
b) c) Die konkreten Ergebnisse zu den Trans-
formationen der einzelnen Sektoren sind
im Folgenden entlang der Kapitel des
Szenarienreports zusammengefasst.
Z.5.1 Verkehr
Bis zum Jahr 2030 hat die direkte Elek-
trifizierung das größte THG-Emissions-
minderungspotential im Verkehrssek-
tor. Das gilt vor allem für Verkehrsträger
(a) Bandbreite des Stromanteils in der Endenergienachfrage; (b) Bandbreite des Elektrolyse -Wasserstoffanteils in der End-
und -segmente, die den größten Anteil
energienachfrage und (c) Bandbreite des E-Fuels-Anteils in der Endenergienachfrage. Die Anteile aller dargestellten Energie- an den direkten THG-Emissionen im Sek-
träger enthalten heimische Erzeugung und Importe.
tor haben, also für den Pkw- und teilwei-
se den straßengebundenen Güterver-
kehr. Da für Pkw und teilweise auch für
Z.5 Transformation der Endnut- Der Einsatz kohlenstoffbasierter Brenn- die Lkw schon jetzt kommerziell wettbe-
zungssektoren stoffe in der Endnutzung sinkt insbe- werbsfähige und technisch ausgereifte
sondere ab den 2030er-Jahren beför- batterieelektrische Lösungen verfügbar
Die Transformation der Endnutzungs- dert durch die direkte und indirekte sind, können durch die direkte Elektrifi-
sektoren Industrie, Verkehr und Gebäu- Elektrifizierung stark. Strom deckt der- zierung kurzfristige Fortschritte bei der
dewärme stellt eine besonders große zeit nur 18 % des Endenergieverbrauchs Dekarbonisierung erzielt werden (Abbil-
Herausforderung auf dem Weg zur Kli- inklusive Bunkertreibstoffen und stoffli- dung Z.8).
maneutralität dar. Während die THG- cher Nutzung (AGEB, 2021). Sein Anteil
Emissionen dieser Sektoren zwischen steigt in den Zielszenarien, je nach tech- Selbst mit einem massiven Anstieg des
2010 und 2019 insgesamt nur um etwa nischem Fokus, bis 2045 auf 40-69 % an. Anteils batterieelektrischer Fahrzeuge
3 % zurückgingen, zeigen die Klima- Aufgrund der Trägheitsdynamiken - ins- werden die Sektorziele aus dem
schutzszenarien der Sektormodelle eine besondere beim Ausbau der erneuerba- KSG2021 bis zum Jahr 2030 nicht er-
Minderung von 37 % zwischen 2020 und ren Stromerzeugung - entfaltet die Kli- reicht. Die kurzfristigen Minderungspo-
2030, und 88 % zwischen 2020 und maschutzwirkung der direkten und tentiale durch eine reine Antriebswende
2040. Trotz dieser Beschleunigung des indirekten Elektrifizierung der Endnut- sind begrenzt. Ein höherer Absatz batte-
Minderungstempos werden die KSG-Ziel- zungssektoren ihre Hauptwirkung ab rieelektrischer Fahrzeuge wird gegen-
vorgaben für die Nachfragesektoren, ins- den 2030er-Jahren, in denen die Nut- wärtig unter anderem durch fehlende öf-
besondere Verkehr und Gebäude, in vie- zung von Strom und nicht-fossilen fentliche Ladeinfrastruktur limitiert.
len Szenarien nicht eingehalten (Z.3). In Brennstoffen stark ansteigt (Abbildung Zudem sind Bestandsfahrzeuge langle-
den Nachfragesektoren schreitet der Z.8, Abbildung Z.10 und Abbildung Z.12). big, was auch im Falle von hohen Absät-
Energieträgerwechsel zu nicht-fossilen Die Potenziale für die direkte Elektrifizie- zen von E-Pkw nur zu einer langsamen
Brennstoffen deutlich langsamer voran rung sind dabei hochgradig sektorspezi- Änderung des Pkw-Gesamtbestandes
als in der Energiewirtschaft. Hierfür ist fisch und bestimmen maßgeblich die führt (Abbildung Z.9). Die Szenarienana-
eine Vielzahl von Herausforderungen ver- Notwendigkeit des Einsatzes der nicht- lysen zeigen, dass selbst bei einer deutli-
antwortlich, beispielsweise lange Rein- fossilen Brennstoffe Wasserstoff, E-Fuels chen Kostendegression von batterieelek-
vestitionszyklen, fehlende Infrastruktur, oder Bioenergie. trischen Fahrzeugen, sehr schnellem
mangelnde Wirtschaftlichkeit oder die Ladeinfrastrukturausbau und hohen
fehlende Verfügbarkeit klimaneutraler Aufgrund von Pfadabhängigkeiten müs- CO2-Preisen wie im Elektrifizierungssze-
Energieträger. sen zahlreiche Investitionsentscheidun- nario kurzfristig zusätzliche Maßnahmen
8erforderlich sein werden, um die Sektor- Abbildung Z.8: Zusammensetzung der Endenergienachfrage im Verkehrssektor des Leitmodells DEMO im
Technologiemix-Szenario5
Ziele bis zum Jahr 2030 zu erreichen. In
Frage kommen hierfür vor allem auch
Maßnahmen zur Änderung des Mobili-
tätsverhaltens, wie der Wechsel auf an-
dere Verkehrsträger.
Die indirekte Elektrifizierung (Nutzung
der Energieträger Wasserstoff und E-
Fuels) bildet bis zum Jahr 2045 in Teil-
bereichen des Güter-, Personenschie-
nen- und Busverkehrs sowie für den
Flugverkehr eine sinnvolle und für Ver-
brenner-Restbestände bei den Pkw eine
notwendige Ergänzung zur direkten
Elektrifizierung (Abbildung Z.9). Die Nut-
zung dieser Energieträger erfordert je-
doch im Vergleich zur direkten Elektrifi-
zierung einen erheblich größeren Einsatz
an Energie, insbesondere von erneuerba-
rem Strom.
Z.5.2 Gebäudewärme
Die wichtigsten Säulen der Wärmewen- Abbildung Z.9: Zusammensetzung des Pkw- und Lkw-Bestands des Leitmodells VECTOR21 in ausgewählten
Szenarien
de zur Erreichung eines klimaneutralen
Gebäudebestands sind ein konsequen-
ter Energieträgerwechsel und eine Stei-
gerung der Sanierungsrate und der Sa-
nierungstiefe. Für den konsequenten
Energieträgerwechsel sind der Umstieg
auf Erneuerbare Energieträger in Gebäu-
den und bei der Fernwärmebereitstel-
lung notwendig, unter anderem durch ei-
nen beschleunigten Austausch von
Heizsystemen. Die Steigerung der Sanie-
rungsrate- und der Sanierungstiefe ist
unerlässlich, um die Endenergienachfra-
ge zu reduzieren und häufig Vorausset-
zung für einen Einsatz klimaneutraler
Heizsysteme wie elektrischer Wärme-
pumpen. Weiterhin wirkt auch eine effizi-
ente Nutzung von Wohnraum unterstüt-
zend.
Die direkte Elektrifizierung spielt im
Fahrzeugtypen: ICE - Verbrennungsmotor; BEV - batterieelektrisches Fahrzeug; FCEV - Wasserstoffbrennstoffzelle; PHEV -
Gebäudesektor in allen Zielszenarien Plug-in Hybrid.
eine entscheidende Rolle durch die Nut-
zung von Wärmepumpen oder Heizstä-
ben in Gebäuden und für die Einspei- wettbewerbsfähigere Alternativen wie notwendig, die bis zum Jahr 2030 auf
sung in Wärmenetze. Die indirekte Wärmenetze und Wärmepumpen sowie mindestens 1,5 - 2,0 % steigen. Die Sa-
Elektrifizierung über Brennstoffzellen die begrenzte Verfügbarkeit und hohe nierungstiefe der Gebäude entspricht in
oder Wasserstoffkessel spielt dagegen Kostenintensität von grünem Wasser- den Zielszenarien durchschnittlich über
im Gebäudesektor eine vergleichsweise stoff. alle Gebäude nahezu dem KfW-55 Stan-
kleine Rolle und ist abhängig vom Tech- dard (Abbildung Z.11). Eine flächende-
nologieszenario (Abbildung Z.10). Haupt- Um das Gebäude-Sektorziel für 2030 zu ckende Nutzung des Passivhausstan-
gründe für die begrenzte Nutzung von erreichen, sind laut Szenarienanalyse dards KfW-40 ist hingegen nicht Teil des
wasserstoffbasierten Technologien sind sehr ambitionierte Sanierungsraten kostenoptimalen Transformationspfades.
9 5 Die Zusammensetzung der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe ist nicht Teil der DEMO-Modellierung, sondern aus REMIND abgeleitet.Abbildung Z.10: Zusammensetzung der Endenergienachfrage im Gebäudesektor des Leitmodells REMod im Produktionsprozess (etwa Zement) und
Technologiemix-Szenario
Energiebedarfen für die stoffliche Nut-
zung (insbesondere Chemie) aus.
Für die Industriewende sind daher er-
hebliche Veränderungen in energieinten-
siven Produktionsverfahren nötig – bis
hin zum vollständigen Ersatz etablierter
Techniken. Darüber hinaus sind jedoch
auch massive Anpassungen etablierter
Preisstrukturen von Energieträgern so-
wie verstärkte Anstrengungen zur Stei-
gerung von Energie und Materialeffizienz
und Ausbau der Kreislaufwirtschaft not-
wendig.
Die Szenarien zeigen alternative Pfade
zu einer nahezu CO2-neutralen Indus-
trieproduktion bis zum Jahr 2045, die
übereinstimmend ambitionierte Verän-
derungen des gesamten industriellen
Produktionssystems und eine tiefgrei-
fende Transformation in vielen Bran-
chen und Wertschöpfungsketten bein-
halten (Abbildung Z.12). Die wichtigsten
Abbildung Z.11: Sanierungsgrad des Gebäudebestands des Leitmodells REMod im Technologiemix-Szenario. Vermeidungshebel sind die Energie- und
Materialeffizienz beziehungsweise Kreis-
laufwirtschaft, der Prozesswechsel auf
sekundäre Produktionsrouten und inno-
vative CO2-neutrale Verfahren sowie der
damit verbundene, umfassende Einsatz
von CO2-neutralen Energieträgern (Abbil-
dung Z.13). Trotz der massiven Prozess-
und Produktionsveränderungen verblei-
ben in allen Szenarien prozessbedingte
Restemissionen. Diese können durch den
Einsatz von CO2-Abscheidung und -Nut-
zung oder -Speicherung in der Klimawir-
kung weiter reduziert werden.
In allen Szenarien werden hohe Mengen
an CO2-neutralen Energieträgern ein-
gesetzt. Die zwei wichtigsten Energie-
träger für die Industrie werden zukünf-
tig Strom und Wasserstoff sein. 2045
Sie könnte jedoch eine bedeutsamere Z.5.3 Industrie werden zwischen 248 TWh (Wasserstoff-
Rolle spielen, wenn es beispielsweise Szenario) und 413 TWh (Elektrifizierungs-
Verzögerungen bei anderen vergleichbar Die Transformation des Industriesek- Szenario) Strom direkt genutzt (2018:
günstigen Lösungen zur Dekarbonisie- tors muss neben technischen vor allem 223 TWh). Hinzu kommen – als indirekte
rung gibt, wie dem Zubau Erneuerbarer die Herausforderungen der Wirtschaft- Stromnutzung – zwischen 173 TWh (Elek-
Energien. Selbst bei einer Sanierungsra- lichkeit und Wettbewerbsfähigkeit trifizierungs-Szenario) und 342 TWh
te von 2 % – einer Verdopplung gegen- adressieren. Derzeit zeichnet sich der In- (Wasserstoff-Szenario) Wasserstoff
über dem gegenwärtigen Niveau – ver- dustriesektor durch eine hohe Abhängig- (2018: 0 TWh)6. Im E-Fuels-Szenario wird
bleibt ein Viertel des Gebäudebestands keit von fossilen Brennstoffen, insbeson- nachfrageseitig wenig umgestellt – statt-
im Jahr 2045 unsaniert. Ein maßgebli- dere für Hochtemperaturprozesse, dessen Erdgas angebotsseitig durch syn-
cher limitierender Faktor für die Umset- technisch bedingte Abhängigkeiten von thetisches E-Methan ersetzt. Die Nutzung
zungsgeschwindigkeit der Wärmewende Energieträgern und Rohstoffen (etwa zur dieses Brennstoffs steigt so auf 347 TWh
sind die Kapazitäten des Baugewerbes. Stahlproduktion), prozessbedingte Emis- (Erdgasnutzung 2018: 245 TWh). In die-
sionen aus chemischen Reaktionen im sem Szenario bleibt die Stromnutzung
10 6 Die aktuelle Wasserstoffnutzung in Höhe von 55 TWh wird beinahe ausschließlich durch die Dampfreformierung von Erdgas bereitgestellt und
ist in der energetischen und stofflichen Erdgasnutzung inkludiert.2045 auf dem Niveau von 2018 und es Strom – insbesondere die benötigte In- Z.6 Umweltwirkungen der Ener-
werden geringe Mengen Wasserstoff di- frastruktur – müssen umgesetzt werden. giewende
rekt verwendet (23 TWh). Ferner verlangt das Erreichen des 2030-
Ziels des KSG2021 (KSG, 2021) für den Große Herausforderungen zeigen sich
Damit die Umstellung auf eine CO2-neu- Industriesektor bereits bis 2030 grundle- beim durch die Energiewende induzier-
trale Industrieproduktion bis zum Jahr gende Umstellungen: Ohne einen sub- ten Bedarf an kritischen Materialien.
2045 gelingen kann, ist der Zeithori- stanziellen Einsatz von neuen CO2-armen Für die sechs Metalle Lithium, Nickel, Ko-
zont bis 2030 entscheidend. Bis 2030 ist oder CO2-neutralen Produktionsverfah- balt (vor allem Batteriefertigung), Dys-
es essenziel, CO2-neutrale Verfahren ren, wie der Herstellung von Stahl über prosium (Elektromotoren), Vanadium
vom Pilot- und Demonstrations-Maßstab die Direktreduktion, ist das Sektorziel (stationäre Batterien) und Iridium (Elek-
auf industrielles Niveau zu skalieren und nicht zu erreichen. trolyse) besteht dabei eine besonders
ihren wirtschaftlichen Betrieb zu ermög- hohe Knappheit gemessen an global ver-
lichen. Hohe Investitionen in Neuanlagen fügbaren Reserven und Ressourcen, die
sind nötig und Lösungen zur Bereitstel- über den deutschen Anteil an der globa-
lung von CO2-neutralem Wasserstoff und len Wirtschaftsleistung auf Deutschland
heruntergerechnet wurden (Abbildung
Z.14). Die Primärmaterialbedarfe hängen
Abbildung Z.12: Zusammensetzung der Endenergienachfrage im Industriesektor des Leitmodells FORECAST
im Technologiemix-Szenario dabei sowohl von der Technologieaus-
richtung des Szenarios (zum Beispiel
Elektrifizierungsgrad des Verkehrs) als
auch von Entwicklungen innerhalb spezi-
fischer Technologiecluster wie etwa Bat-
terien oder PV-Module und der Recycling-
quote ab. Um die Materialbedarfe der
Energiewende zu decken, sind neben der
Erschließung neuer Lagerstätten auch
die Förderung der Kreislaufwirtschaft
und die Erhöhung der Materialeffizienz
wichtig. Außerdem kann die Reduktion
der Nachfrage im Transportsektor, unter
anderem durch die Reduzierung der
durchschnittlichen Fahrzeug- und Batte-
riegröße, dabei helfen, knappe Materiali-
en zu erhalten, die für die Energiewende
von kritischer Bedeutung sind.
Die Energiewende hat eine deutliche
Auswirkung auf die Flächennutzung in
Deutschland. Der Anstieg des Bedarfs an
einheimischem erneuerbaren Strom auf
etwa 1000 TWh führt zu einem Anstieg
Abbildung Z.13: Beitrag einzelner Vermeidungsoptionen zur Emissionsminderung bis zum Jahr 2030 ggü.
2018 im Technologiemix-Szenario des Flächenbedarfs durch Onshore Wind
und Freiflächen-PV von heute 0,6 % auf
1,9-3,4 % der Landesfläche Deutschlands
(Abbildung Z.15). Dieser Bedarf kann je-
doch durch den in den Szenarien unter-
stellten Rückgang des Biomasseanbaus
kompensiert werden, sodass der Ge-
samtflächenbedarf für die Erneuerbaren
Energien sinkt. Bemerkenswert ist dabei,
dass der spezifische Flächenbedarf pro
Einheit erzeugter (Strom und eventuell
andere Energieträger)Energie bei der An-
baubiomasse um den Faktor 10-18 hö-
her ist als bei Freiflächen-PV, und etwa
17-21 höher als Onshore Windenergie.
Zudem kann der größte Teil der von
Windparks genutzten Fläche gleichzeitig
land- oder forstwirtschaftlich ge-
11Abbildung Z.14: Der Beitrag von Energie- und Transporttechnologien (E&T) zum über den Zeithorizont 2020-45 kumulierten Materialbedarf der sechs kritischen Me-
talle Lithium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Dysprosium und Iridium (Technologiemix-Szenario)
Graue Bandbreiten zeigen die Unsicherheit durch unterschiedliche Szenarien und Technologieentwicklungspfade. Rote Dreiecke markieren jene hypothetische Mengen, die auf Deutschland
bei Verteilung der globalen Reserven und Ressourcen nach BIP entfallen würden. Selbst bei vollständigem Recycling könnte der Primärmaterialbedarf an Kobalt, Nickel, Vanadium und Lithi-
um den deutschen Anteil der Reserven übersteigen.
nutzt werden. Auch für PV-Freiflächenan- auf direkte Elektrifizierung oder Wasser- den. Eine ganzheitlich nachhaltige Ver-
lagen besteht die Möglichkeit einer dua- stoffnutzung ausgerichteten Szenarien. kehrswende erfordert daher die Regulie-
len Nutzung durch Agriphotovoltaik rung der Lieferketten der Fahrzeuge, ins-
(Wirth, 2021). Weitere Optionen zur Be- Die Gesundheitswirkungen des motori- besondere im Bereich der E-Mobilität. Die
grenzung des Flächenverbrauchs für die sierten Individualverkehrs verlagern substanziellen verbleibenden Umwelt-
Energiewende sind eine beschränkte sich von der Verbrennung fossiler schäden im Szenario einer erfolgreichen
Nutzung von Anbaubiomasse, die Nut- Brennstoffe zu den Produktionsprozes- Antriebswende unterstreichen den öko-
zung von biologischen Reststoffen für die sen. Diese indirekten Auswirkungen sin- logischen Nutzen einer ganzheitlichen
Energiegewinnung sowie der prioritäre ken im Gegensatz zu den direkten Aus- Mobilitätswende mit dem Ziel der Reduk-
Ausbau der Photovoltaik auf Dach- und wirkungen nur um etwa 30 % bis 2045, tion des Individualverkehrsaufkommens.
Gebäudeflächen. In dem Maß, in dem er- falls die Produktionsprozesse und Roh-
neuerbarer Strom, Wasserstoff und E- stoffgewinnung nicht transformiert wer-
Fuels importiert werden, induziert die
Energiewende zusätzlich zum inländi-
schen Flächenbedarf weitere Flächenbe-
darfe im Ausland. Abbildung Z.15: Gesamter Flächenbedarf von Biomasseanbau, Solar- und Onshore Windanlagen in
Deutschland in Bezug auf die Landesfläche Deutschlands für die Jahre 2020, 2030 und 2045 und für das
Technologiemix-Szenario
Die Energiewende bietet großen Zusatz-
nutzen, besonders für die Gesundheit.
Alle Zielszenarien führen – eine weitere
Umsetzung neuer Technologiestandards
bei verbleibenden Verbrennungsprozes-
sen vorausgesetzt – zu einer Verringe-
rung der Luftverschmutzung und deren
negativer Gesundheitswirkungen. Vergli-
chen mit heute entspricht das einer Er-
höhung der durchschnittlichen Lebenser-
wartung um etwa 0,4 Jahre. Dieser Effekt
Die Unsicherheitsspanne zeigt die Bandbreite der Zielszenarien. Die Nutzung der Flächen für Windparks schließt eine paralle-
ist in Szenarien mit höherem Einsatz le land- oder forstwirtschaftlich Nutzung nicht aus. Auch für PV-Freiflächenanlagen ist die gleichzeitige landwirtschaftliche
synthetischer E-Fuels geringer als in den Nutzung möglich (Agriphotovoltaik).
12Z.7 Systemforschung für die Wärmenetze und CO2-Transport. Des al., 2021; Richstein and Neuhoff,
Energiewende: Weiterer For- Weiteren kann durch eine tieferge- 2019). Die weitere Integration dieses
schungsbedarf hende Integration zwischen Sektor- Forschungsstrangs mit der Szena-
modellen und Gesamtsystemmodel- rienanalyse zur Klimaneutralität ist
Angesichts der zunehmenden Vielfalt len eine insgesamt realistischere ein wichtiger Schwerpunkt künftiger
von Klimaneutralitätsszenarien, wird ein Abbildung der Systemdynamik er- Forschung.
strukturierter und systematischer Ver- reicht werden.
gleich von Modellergebnissen und An-
nahmen zunehmend wichtiger. Die hier ▶ Vertiefende Modellvergleiche:
vorgelegten Analysen untersuchen erst- Durch eine noch breitere Abdeckung Z.8 Politischer Handlungsbedarf
mals auf Basis eines Ensembles von kann ein strukturierter Vergleich für die Klimaneutralität 2045
Energiesystem- und Sektormodellen Pfa- nicht nur unter den Ariadne-Model-
de zur Erreichung der Klimaneutralität len, sondern auch anderer in promi- Die vorliegenden Analysen verdeutlichen
Deutschlands 2045. Durch die Integra- nenten Szenarienstudien genutzten die Dringlichkeit des politischen Hand-
tion von Gesamtsystemmodellen mit Modellsysteme erreicht werden. Da- lungsbedarfs, um Klimaschutzziele zu er-
Sektormodellen konnten einerseits rele- durch werden Unterschiede in An- reichen und den Kurs auf Klimaneutrali-
vante Wechselwirkungen zwischen den nahmen und Implikationen verschie- tät 2045 anzupassen. Der Vergleich der
Sektoren berücksichtigt, andererseits dener Klimaschutzpfade deutlich sektorspezifischen Transformationsweg-
Details der sektoralen Transformation (ESYS et. al., 2019; Wietschel et al., marken mit den gegenwärtigen Politik-
ausbuchstabiert werden. 2021). zielen weist auf erhebliche Diskrepanzen
hin. Ohne zusätzliche Maßnahmen in al-
Der in dieser Studie vorgestellte Modell- ▶ Wirkungsanalyse und gesellschaft- len Sektoren werden die Klimaschutzzie-
vergleich sollte in dieser Hinsicht als liche Trägerschaft: Ebenfalls be- le für 2030 und 2045 aller Voraussicht
„proof-of-concept“ gesehen werden. Al- steht die Notwendigkeit, die Szenari- nach verfehlt. Obwohl Politiken und Maß-
lerdings verbleiben eine Reihe von weite- en durch detaillierte Analysen der nahmen nicht explizit in den Szenarien
ren Forschungsbedarfen, die teilweise Kosten und makro-ökonomischen abgebildet sind, lassen sich aus den Sze-
durch andere Ariadne-Forschungsaktivi- Wirkungen der Energiewende zu er- narienanalysen bereits folgende Er-
täten abgedeckt sind, teils in Folgestudi- gänzen. Erste Ergebnisse zeigen bei- kenntnisse im Hinblick auf politische
en angegangen werden müssen: spielsweise, dass die Auswirkungen Handlungsbedarfe ziehen:
der CO2-Bepreisung über Einkom-
▶ Erweiterung des Lösungsraums: Die mensgruppen hinweg stark variie- ▶ Sektorübergreifende CO2-Beprei-
hier vorgestellten Szenarien zeigen ren können, und dass die Vertei- sung stärken: Die Lenkungswirkung
eine plausible Bandbreite künftiger lungswirkungen wiederum stark von eines deutlichen CO2-Preissignals ist
Entwicklungen bezüglich direkter der Ausgestaltung der Politiken ab- entscheidend, um effiziente Emissi-
und indirekter Elektrifizierung. hängen. Künftige Analysen werden onsminderungspotenziale zu nutzen
Gleichzeitig können sie nicht den über den CO2-Preis hinaus die Vertei- und Anreize für klimaneutrale Inves-
Anspruch auf eine vollständige Ab- lungswirkungen weiterer Politikin- titionen zu schaffen. Ein zunehmend
deckung des Lösungsraums erhe- strumente untersuchen. Verteilungs- über die Sektoren hinweg harmoni-
ben. Weitere Szenarien sollten bei- gerechtigkeit und ökologische sierter CO2-Preis kann zudem eine
spielsweise die Möglichkeiten und Nachhaltigkeit sind auch wichtige Flexibilisierung der Sektorziele er-
Grenzen einer stärker auf Energieef- Faktoren für gesellschaftlichen Ak- möglichen, die angesichts der Dis-
fizienz und Lebensstiländerungen zeptanz und Trägerschaft (Blum, M. krepanz zwischen den sektoralen
ausgerichteten Klimaschutzstrategie et al., 2021). Minderungszielen des KSG2021 für
beleuchten, oder das Potenzial einer 2030 und der sektoralen Lastentei-
weitergehenden Nutzung von tech- ▶ Politiken und Maßnahmen: Ange- lung in den kostenoptimalen Szena-
nischen CO2-Senken, insbesondere sichts der durch die Szenarien auf- rien geboten scheint.
CCS, untersuchen. gezeigten enormen Herausforderun-
gen bezüglich der systemischen ▶ Erneuerbare Energien massiv aus-
▶ Granularität der Systemtransfor- Transformation stellt sich nun in bauen: Die hohe zukünftige Strom-
mation: Spezifische Aspekte der verschärftem Maße die Frage nach nachfrage erfordert einen enormen
Energiewende müssen im Szenari- geeigneten Politiken und Maßnah- Ausbau von Windkraft und Photovol-
enkontext konkreter ausbuchsta- men, um den Weg zur Klimaneutrali- taik. Bis 2030 ist voraussichtlich ein
biert werden, um den damit einher- tät zu ebnen. Die Untersuchung von Zubau nötig, der etwa einer Verdrei-
gehenden Herausforderungen geeigneten Politikinstrumenten ist fachung der Ausbaugeschwindigkeit
begegnen zu können. Prominent zu bereits Gegenstand der Forschung der vergangenen Dekade entspricht
nennen wäre hierbei der Infrastruk- in Ariadne und anderen Projekten und somit über dem Ausbaupfad
turausbau für Stromübertragungs- (Berneiser et al., 2021; Edenhofer et des EEG liegt. Daher ist eine Überar-
und Verteilnetze, Wasserstoffnetze, al., 2019; Fahl et al., 2021; Perino et beitung des EEG sowie die Neuord-
13nung und Beschleunigung von Ge- konzept ab, welches zügig ausbuch- kehr und die Grundstoffchemie, pri-
nehmigungsverfahren nötig. Zusätz- stabiert werden muss. orisiert werden.
lich müssen weitere Gesetze wie bei-
spielsweise das Energiewirtschafts- ▶ Wärmewende sozialverträglich ge- ▶ Ganzheitliche Strategie für CO2-
gesetz (EnWG2021) mit den Anfor- stalten: Aufgrund der bestehenden Entnahmen erarbeiten: Das Ziel der
derungen einer auf Erneuerbaren Eigentums- und Mietlandschaft des deutschen Klimaneutralität ist ohne
Energien basierenden Versorgung in Gebäudesektors bedarf es eines CO2-Entnahmen nicht erreichbar.
Einklang gebracht werden. stringenten informatorischen, ord- Daher sollte eine nationale CO2-Ent-
nungspolitischen und förderpoliti- nahme-Strategie einschließlich CCS
▶ Kohleausstieg gestalten: Der zur Er- schen Instrumentenmix zur Realisie- erarbeitet werden, um Technologie-
reichung der Klimaziele notwendige rung der Dekarbonisierung. Eine hochlauf, Infrastrukturaufbau und
CO2-Preis macht die weitere Kohle- besondere Herausforderung ist die Speicherung in die Mitte der gesell-
verstromung zunehmend unwirt- Sozialverträglichkeit der Wärmewen- schaftlichen Debatte zu rücken.
schaftlich. Es scheint daher hochgra- de, die zusätzliche Instrumente er-
dig unplausibel, dass bei gleich- fordert. ▶ Rohstoffbedarf nicht-energetischer
zeitiger Einhaltung der Klimaziele Rohstoffe untersuchen: Praktisch
Kohlekraftwerke gemäß Kohleaus- ▶ Engpässe im Baugewerbe angehen: alle für die Transformation zur Ver-
stiegsgesetz noch über 2030 hinaus Insbesondere die Wärmewende, fügung stehenden Maßnahmen er-
substantiell zur Stromversorgung aber auch die Transformation der fordern einen erhöhten Einsatz an
beitragen. Der Strukturwandel in Industrieanlagen und der Infrastruk- Technologie und Material. Aus die-
den betroffenen Regionen wird sich turaufbau benötigen hochqualifizier- sem Grund ist dieser Bedarf an
entsprechend beschleunigen und te Handwerkerinnen und Handwer- nicht-energetischen Rohstoffen ver-
muss aktiv gestaltet werden. Zur Si- ker sowie deutlich höhere Kapazi- tieft zu untersuchen und die Mög-
cherstellung der Versorgungssicher- täten im Baugewerbe als aktuell lichkeiten und Wirkungen von Kreis-
heit werden zusätzliche gas- oder vorhanden. Ohne sofortige massive laufwirtschaft zu integrieren.
wasserstoffbefeuerte Spitzenlast- Unterstützung von Weiterbildungs-
kraftwerke benötigt. und Umschulungsangeboten kön- ▶ Umweltwirkungen entlang der
nen diese Knappheiten die Transfor- Wertschöpfungskette beachten:
▶ Infrastruktur zügig ausbauen: Die mation und somit die Erreichung Während die Energiewende in vielen
modellierten Mengen an Strom, der Klimaziele ausbremsen. Bereichen einen deutlichen ökologi-
Fernwärme und Wasserstoff, sowie schen Nutzen entfaltet, führt der
relevanter Kenngrößen für die Sek- ▶ Preissignale für die Industriewende Übergang zu einem erneuerbaren
torkopplung und Dekarbonisierung setzen: Für die Umstellung auf eine Energiesystem auch zu einer Verla-
anderer Sektoren wie E-Pkw und CO2-neutrale Industrieproduktion ist gerung der Umweltwirkungen von
Wärmepumpen liegen über den die Wirtschaftlichkeit CO2-neutraler Energietechnologien von der Nut-
Mengen, die in der aktuellen Infra- Verfahren essenziell. Wichtig sind zungsphase zur Produktionsphase.
strukturplanung vorgesehen sind. daher klare Preissignale, sodass Dies ist vor allem für Batterietechno-
Die Infrastruktur droht damit zum Strom gegenüber Erdgas der attrak- logien für die E-Mobilität, aber auch
Engpass in allen Sektoren zu wer- tivere Energieträger wird. Dies kann die erneuerbare Stromerzeugung re-
den. Eine rasche Anpassung der In- - abhängig von der sonstigen Ausge- levant. Entsprechend kann eine
frastrukturplanung und ihrer be- staltung des Strompreises – ab 100 wirklich nachhaltige Energiewende
schleunigten Umsetzung ist daher bis 150 Euro/tCO2 gelingen. Aller- nur dann gelingen, wenn (a) Materi-
notwendig. dings sind gleichzeitig geeignete aleffizienz und Kreislaufwirtschaft
Maßnahmen zum Erhalt der interna- auch bei Klimaschutztechnologien
▶ Engpässe bei der Ladeinfrastruktur tionalen Wettbewerbsfähigkeit der gestärkt werden, und (b) in Zusam-
für die Verkehrswende beseitigen: deutschen und europäischen Indus- menarbeit mit internationalen Part-
Die direkte Elektrifizierung ist der trie – nicht nur der energieintensi- nern die globalen Wertschöpfungs-
größte Dekarbonisierungshebel des ven – notwendig. ketten strengen Umweltstandards
Verkehrssektors. Um den notwendi- unterworfen werden.
gen Mindest-Hochlauf an batterie- ▶ Erneuerbaren Wasserstoff und E-
elektrischen Fahrzeugen zu errei- Fuels in ihrer Anwendung priorisie- ▶ Innovationen für die Klimaneutrali-
chen, ist ein zügiger und starker ren: Ihre Verfügbarkeit wird zumin- tät fördern: Das Ziel der Klimaneu-
Ausbau der öffentlichen Ladeinfra- dest mittelfristig bis in die 2030er- tralität bis 2045 wird ohne weitere
struktur notwendig, da diese zurzeit Jahre beschränkt bleiben. Entspre- Innovationen nicht erreichbar sein,
ein Hindernis in der Verkehrswende chend sollte ihr Einsatz für no-regret die gezielte Förderung brauchen.
darstellt. Die Spanne des Gesamtbe- Anwendungen, wie Wasserstoff für Wichtig sind auch in Zukunft techni-
darfs an öffentlich zugänglichen La- Stahl- und Ammoniakproduktion so- sche Innovationen für Erneuerbare
depunkten hängt stark vom Lade- wie E-Fuels für Flug- und Schiffsver- Energieträger, Energiespeicher und
14Sie können auch lesen
