Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie - Deloitte
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Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Die Elektrifizierung der Wirtschaft als Grundlage
für Klimaneutralität 04
Auswirkungen auf das energiewirtschaftliche System 06
Implikationen für die Bereiche Verkehr,
Industrie und Wärme 10
Verkehrssektor 12
Industrie 16
Wärmesektor 20
Unternehmensindividuelle Herausforderungen der
Sektorenkopplung managen 24
Fazit 30
03
Die Elektrifizierung der
Wirtschaft als Grundlage
für Klimaneutralität
Die Bundesregierung unterstützt das Ziel, Abb. 1 – Endenergieverbrauch 2018 nach Sektoren1
den Anstieg der globalen Durchschnittstem-
peratur im Vergleich zu 1990 auf 1,5° C zu
begrenzen. Aufgrund des dringend gebo-
tenen Handlungsbedarfs zur Eindämmung
der Klimaerwärmung werden Konzepte zur
Dekarbonisierung der Energiesysteme mit
Nachdruck verfolgt. Da in Deutschland rund Verkehr Industrie
85 Prozent der klimarelevanten Emissionen 751 TWh 736 TWh
auf die Bereitstellung von Endenergie
entfallen, liegt hier der entscheidende
30,1% 29,5%
Hebel zur Verbesserung der deutschen
Klimabilanz.
Abbildung 1 zeigt den Endenergiever-
brauch (EEV) 2018, aufgeteilt nach den
Sektoren Verkehr, Industrie, Haushalte
sowie Gewerbe/Handel/Dienstleistungen.
Neben der Steigerung der Energieeffizienz
(„Efficiency first“) müssen zur Erreichung
der Klimaziele in allen Sektoren fossile
Energieträger stärker durch erneuerbare
Energien substituiert werden. Gewerbe, Handel,
Haushalte
Dienstleistungen
636 TWh
375 TWh
25,4%
15,0%
04 1
Umweltbundesamt, „Energieverbrauch nach Energieträgern und Sektoren“, abgerufen am 23.11.2020.
Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Die Sektoren mit dem größten Energiever- sätzlich die Technologieoffenheit der Mit dieser – aus Sicht des Klimaschutzes –
brauch in Deutschland sind der Verkehr „Energiewende“ betont und die Rahmen- nutzbringenden physikalischen Eigenschaft
und die Industrie, auf die insgesamt bedingungen oft auch von diesem Leitsatz geht die Notwendigkeit einher, die Prozesse
ca. 60 Prozent des Endenergieverbrauchs geprägt sind, wird die Energiewende in Unternehmen und privaten Haushalten
entfallen. Dabei sind fossile Kraftstoffe bislang faktisch eher als Stromwende und in stärkerem Maße zu elektrifizieren. Zwei
und Erdgas die beiden Energieträger über somit als fokussierter sektoraler Ansatz zentrale Fragestellungen tun sich in diesem
alle Sektoren hinweg, die mit Abstand den und – entgegen politischer Verlautba- Zusammenhang auf:
größten Anteil zur Endenergieversorgung rungen – nicht als sektorübergreifende
beitragen. Strom als Energieträger deckt Systemintegration verstanden. Letztere • Welche Bereiche und Prozesse lassen
lediglich ca. 21 Prozent des Endenergie- hat aber eben nicht nur die innersekto- sich heute oder morgen aus technischer,
bedarfs. rale Optimierung im Blick, sondern zielt wirtschaftlicher und regulatorischer Sicht
darauf, das energetische Potenzial und sinnvoll elektrifizieren?
„Weg von nuklearen und fossilen Brenn- die Flexibilität des einen Sektors auch
stoffen, hin zu erneuerbaren Energien für andere Sektoren nutzbar zu machen. • Welche Möglichkeiten haben Unterneh-
und mehr Energieeffizienz“ – das ist das Insofern ist gerade die Sektorenkopplung, men und private Haushalte, sich in die
erklärte Ziel der Bundesregierung und der also die Verknüpfung von Strom- und Sektorenkopplung einzubringen bzw. wel-
Energiewende. Um dies zu erreichen, soll (Erdgas-)Wärmeversorgung, Mobilität che Chancen ergeben sich beim Einstieg
die Energieversorgung zunehmend auf und industriellen Prozessen sowie deren in den Energiemarkt, zusätzliche Erlöse
erneuerbare Energien umgestellt werden. Infrastrukturen, der Schlüssel für eine zu erschließen oder gar neue Geschäfts-
Erneuerbarer, „grüner“ Strom spielt dabei erfolgreiche Energiewende. Folglich räumt modelle zu entwickeln?
in Deutschland eine zentrale Rolle. Ins- die Bundesregierung dem Konzept der
besondere hier wurde der Ausbau in den Sektorenkopplung im „Integrierten Nati- Der Beantwortung dieser beiden zentralen
letzten Jahren bereits stark vorangetrieben. onalen Energie- und Klimaplan“, im „Kli- Fragenstellungen soll in den folgenden
Der Anteil der erneuerbaren Energien an maschutzplan 2050“ sowie im „Grünbuch Kapiteln nachgegangen werden.
der Gesamtstromerzeugung betrug 2019 Energieeffizienz“ eine hohe Bedeutung zur
bereits 42,1 Prozent, was auch eine Folge Erreichung der ambitionierten klimapoliti-
des massiv geförderten Ausbaus der Wind- schen Ziele ein.3
und Solarenergie ist.
Im Zuge der schrittweisen Substitution
Anders stellt sich jedoch die Situation mit fossiler Energieträger wird Strom aus
Blick auf die Gesamtenergiebereitstellung in erneuerbaren Energien in Zukunft
Deutschland dar. Hier liegt der Beitrag der der bedeutsamste Energieträger sein.
erneuerbaren Energieträger am Endener- Einerseits stehen mit Photovoltaik- und
gieverbrauch bei lediglich ca. 15 Prozent. Windkraftanlagen etablierte Technologien
Somit besteht in Deutschland noch großes zur Verfügung, die in Deutschland noch
Potenzial zur Senkung der Treibhausgas- ausschöpfbares Potenzial zeigen und
emissionen. deren Ausbau auch weiterhin politisch
vorangetrieben wird. Andererseits lässt
Zentrales Ziel der Energiewende ist eine sich Strom physikalisch sehr gut in andere
auf das Jahr 1990 bezogene Reduktion des Energieformen wie Wärme oder mechani-
Treibhausgasausstoßes um 55 Prozent sche Arbeit wandeln und ist daher für eine
bis zum Jahr 20302 und um 80–95 Prozent sektorübergreifende Nutzung geradezu
bis zum Jahr 2050. Hierbei ist zu betonen, prädestiniert.
dass dieses ambitionierte Ziel die gesamte
Energieversorgung betrifft. Obwohl die
Politik auf EU- und Bundesebene grund-
2
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, „Integrierter Nationaler Energie- und Klimaplan“, Juni 2020, S. 46.
3
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, „Integrierter Nationaler Energie- und Klimaplan“, Juni 2020, S. 65. 05
Auswirkungen auf das
energiewirtschaftliche
System
Derzeit wird kontrovers diskutiert, wie sich insbesondere auch vor dem Hintergrund
die Stromnachfrage in den kommenden der gerade verabschiedeten Nationalen
Jahrzehnten entwickeln wird bzw. auf und EU-Wasserstoffstrategie.5 Denn
welchen Stromverbrauch die Energieerzeu- CO2-freien grünen Wasserstoff durch
gung und das Stromnetz auszurichten sind. Elektrolyse herzustellen, verlangt nach
Während einerseits Effizienzmaßnahmen einem zehnmal größeren Energieeinsatz,
zu einem Rückgang des Strombedarfs als wenn der Wasserstoff aus Erdgas (also
führen dürften, erhöht andererseits eine grauer oder blauer Wasserstoff) herge-
tiefgreifende Sektorenkopplung bzw. die stellt wird.
Elektrifizierung bisher mit fossilen Energie-
trägern betriebener Wirtschaftsprozesse Abb. 2 – Prognose Bruttostromverbrauch 2030 6
die Stromnachfrage aus den dann ange-
bundenen Sektoren. 800
Die Bundesregierung prognostiziert in 700
ihrem Klimaschutzprogramm 2030, dass
206
sich der gegenwärtige Stromverbrauch 600
geringfügig unterhalb des heutigen 68
Niveaus bewegen dürfte.4 Wir gehen 500 60
jedoch davon aus, dass die Stromnach-
frage in den nächsten Jahren steigen wird.
400
Einsparungen durch Effizienzmaßnahmen
können sicherlich erreicht werden.
300
Dennoch, sollten die Klimaschutzziele 531 474
mit Nachdruck umgesetzt werden,
200
wird die Stromnachfrage aufgrund
von zusätzlichen Stromverbräuchen
für Wärmepumpen, Elektromobilität 100 Klassischer Stromverbrauch
und PtX-Technologien (Power-to-Gas, Netzverluste, Eigenverbrauch
Power-to-Liquids) die Einspareffekte bei 0 Zusätzlicher Stromverbrauch
-65 Sektorenkopplung
Weitem übersteigen. Daher sind Strom-
verbräuche zwischen 700 und 800 TWh -100 Effizienzgewinne
im Jahr 2030 durchaus als realistisches 2017 2030
Szenario (zum Vergleich: 599 TWh 2017;
575 TWh 2019) einzuschätzen (vgl. Abb. 2).
Zu diesem Schluss kommen auch andere
Akteure und Energieverbände. Dies gilt
4
undesregierung, „Klimaschutzprogramm 2030 der Bundesregierung zur Umsetzung des Klimaschutzplans
B
2050“, Oktober 2019, S. 32.
5
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, „Die Nationale Wasserstoffstrategie“, Juni 2020, S. 2.
06 6
Bundesverband Erneuerbare Energie e.V., „Das BEE-Szenario 2030“, Mai 2019, S. 3.Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Die Zunahme der Einspeisung von erneu- Positive und negative Residuallasten, also
erbarem Strom im Netz, der unverzichtbar jene Stromnachfrage, die nicht durch
ist, um auch die wachsende Stromnach- erneuerbare Energien gedeckt werden
frage zu decken, wird Auswirkungen kann oder im gegenteiligen Fall durch
auf die Stabilität der Stromversorgung ein Stromüberangebot überdeckt wird,
haben. So müssen die Netzbetreiber dürften in den kommenden Jahren weiter
bereits heute in erheblichem Ausmaß zunehmen. Das Stromangebot wird auf-
Netzeingriffe vornehmen. Dies zeigt grund der fluktuierenden Stromerzeugung
sich u.a. in den Kosten für Ausfallarbeit aus Sonne und Wind volatiler und kann
bei Redispatch-Maßnahmen, die im während des Tages und zwischen Jahres-
Jahr 2018 rund 7.900 GWh umfassten zeiten stark von der benötigten Nachfrage
und Entschädigungsansprüche i.H.v. ca. abweichen. Die Prognosen gehen ausein-
387 Mio. € nach sich zogen. Über das ander, in welchem Umfang dies in Zukunft
Einspeisemanagement von erneuerbaren der Fall sein wird. Abbildung 3 zeigt
Energieanlagen kamen weitere rund 5.400 hierzu die Ansichten unterschiedlicher
GWh bzw. 635 Mio € hinzu. Forschungsinstitute und Energieverbände
für maximale und minimale Residuallast-
wertausschläge der Jahre 2030 und 2050.
Abb. 3 – Prognose der Residuallast-Extremwerte 2030 und 20507
120
100
80
60 118
40 84
75 76 73
71
20 41
26
0
Positiv Negativ Positiv Negativ
2030 2050
Bundesverband Erneuerbare Energie e.V./Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme/Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft
7
Öko-Institut e.V., „Visionen und Pfadentscheidungen der Energiewende“, Juli 2019, S. 31. 07Während die Prognosen für die positive im Einzelfall zu hinterfragen, denn die Aus-
Residuallast zwischen den Jahren 2030 und lastung der Kapazität über das Jahr dürfte
2050 keine wesentlichen Veränderungen im Durchschnitt nur für wenige Stunden
voraussagen und temporär zwischen 70 und Tage gesichert sein. Die Kosten hierfür
und 80 GW liegen, ist bei den negativen werden über die Netzentgelte „sozialisiert“.
Residuallasten eine wesentliche Erhöhung Darüber hinaus stehen Gaskraftwerke auf-
zu erkennen. Die Anzahl der Stunden pro grund des CO2-Austoßes dem eigentlichen
Jahr mit überschüssigem Strom im Netz Ziel der Dekarbonisierung entgegen.
wird zunehmen – insbesondere die Höhe
der temporär auftretenden negativen Resi- Die dargestellte Problematik lässt den
duallasten im Netz. Schluss zu, dass Ansätze der Sektoren-
kopplung einen zusätzlichen Beitrag
Doch wie kann das energiewirtschaftliche für einen ausgeglichenen Strommarkt
System Stromangebote und -nachfrage in ermöglichen müssen: Die Integration von
Zukunft ausgleichen und auf Lastschwan- Strom- und Wärmeversorgung, Mobilität
kungen reagieren? und industriellen Prozessen schafft dabei
die benötigte Flexibilität. Wie umfangreich
Ein Ansatz, um zwischen Nord- und Süd- dieser Beitrag sein wird, hängt von der
deutschland für Ausgleich zu sorgen, ist der Wirtschaftlichkeit und der Praktikabilität
massive Ausbau der Übertragungsnetze. des jeweiligen Ansatzes ab und ist im Detail
So werden laut BMWi über 7.500 Kilometer noch schwer zu prognostizieren.
im Übertragungsnetz optimiert, verstärkt
oder neu gebaut. Die Kostenschätzungen Zu erwarten ist jedoch, dass in Zukunft
für den Ausbau des Übertragungsnetzes für einen wirtschaftlichen Flexibilitätsmix
liegen bei ca. 52 Mrd. €. Der Netzausbau viele unterschiedliche Flexibilitätsansätze
ist sehr teuer und wird durch aufwendige angewendet werden, um einen effizienten
und langwierige Genehmigungsverfahren Ausgleich zwischen Erzeugung und Ver-
erschwert, sodass ein massiver Netz- brauch zu realisieren. Das folgende Kapitel
ausbau alleine nicht die wirtschaftlichste soll daher die einzelnen Sektorenkopp-
Lösung darstellt. Eine weitere häufig lungstechnologien im Verkehr-, Industrie-
diskutierte Möglichkeit ist der Ausbau von und Wärmebereich u.a. auch aus diesem
gasbefeuerten Regelenergiekraftwerken, Blickwinkel heraus betrachten.
um erneuerbare Erzeugungsdefizite auszu-
gleichen. Auch hier ist die Wirtschaftlichkeit
08Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
09Implikationen für die
Bereiche Verkehr,
Industrie und Wärme
Die zukünftige Entwicklung der gesamten Die Elektromobilität mit batterie- oder
Nachfrage nach grünem Strom sowie die brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen
hohen Kosten für den Netzausbau haben und der Ausbau der hierfür notwendigen
für Unternehmen zur Folge, dass sie sich Infrastruktur sind in vollem Gange. Für
einerseits in einem Umfeld mit hoher lange Strecken, hohe Gewichte sowie
Unsicherheit bzgl. des zukünftigen Strom- auf dem Wasser oder in der Luft ist es
preises bzw. der Stromabgaben bewegen. dagegen noch offen, welche Technologie
Gleichzeitig eröffnet die Sektorenkopplung sich durchsetzen wird. Nachwachsende
eine Reihe von Möglichkeiten, mit neuen Rohstoffe und synthetische Kraftstoffe,
Erlösen oder Geschäftsmodellen in den die sich in Technologien wie Power-to-Gas
Energiemarkt einzusteigen und dazu oder Power-to-Liquids manifestieren,
beizutragen, das Gesamtsystem zu stabi- spielen jedoch eine zentrale Rolle. Die
lisieren. Wirtschaftlichkeit der Technologie wirft
bislang in viele Fällen allerdings noch
Wie Abbildung 4 schematisch und ohne Fragen auf.
Anspruch auf Vollständigkeit darstellt, sind
die Sektorenkopplungsmöglichkeiten für Auch lässt sich über grünen Strom grund-
Unternehmen vielschichtig, oft auch bidi- sätzlich die Wärmeversorgung für private
rektional, die Anzahl der möglichen Markt- Haushalte und die Industrie ermöglichen –
teilnehmer groß und die technischen insbesondere wenn es um die Wärmebe-
Optionen der Umsetzung über bereits reitstellung in Gebäuden geht. Hierfür gibt
vorhandene oder noch aufzubauende es bereits eine Vielzahl von unterschiedli-
Infrastrukturen bzw. Assets vielfältig. cher Fördermöglichkeiten. Auch der regu-
Wasserstoff ist das Schlüsselelement der latorische Rahmen hat sich in den letzten
Sektorenkopplung in den Bereichen, in Jahren dynamisch weiterentwickelt.
denen Strom aus erneuerbaren Energien
nicht direkt als Endenergie eingesetzt Die Beispiele zeigen: Unternehmen
werden kann. Grüner Wasserstoff und müssen sich auf dem Weg zu einer
seine Folgeprodukte (Power-to-X) eröffnen dekarbonisierten Energieversorgung mit
Dekarbonisierungswege für die Mobilität vielen Themen auseinandersetzen und
(Flugzeuge, Schiffe, Schwerlastverkehr und stehen dabei vor komplexen technischen,
Züge), die Chemie-, Düngemittel-, Stahl- wirtschaftlichen und regulatorischen Frage-
und Zementindustrien. Die Nationale stellungen, die es zu beantworten gilt –
Wasserstoffstrategie der Bundesregierung sofern es aufgrund des gegenwärtigen Ent-
vom Juni 2020 sieht daher auch Maß- wicklungsstandes unterschiedlicher Tech-
nahmen zur Umsetzung von Sektoren- nologien und des Regulierungsrahmens
kopplung in den Bereichen Verkehr, Indus- bereits eindeutige Antworten geben kann.
trie, Wärme und Infrastruktur vor.
10Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Abb. 4 – Sektorenkopplung
Power-to-Heat
Po
we
r-t t
Strom o- Hea Wärme
Ga
s -t o-
Ga s
s-t Ga
o-
Po
we
r
Gas
EV C
ha
r gi
(Syn. Kraftstoffe)
Gas-to-Liquids
ng
/H
Ve
O-
hic
H2
LK
l
W
e- t
ah
/B
o-
n
Gr
id
Verkehr
Strom Gas Verkehr Wärme
Infrastruktur/Assets: Infrastruktur/Assets: Infrastruktur/Assets: Infrastruktur/Assets:
Erzeugungsanlagen/ Gasnetz/Speicher/ Ladeinfrastruktur KWK-Anlagen/Wärmepumpen
Stromnetz/Stromspeicher Elektrolyseure Anlagen für neue Wärmespeicher/Wärmenetze/
Marktteilnehmer: Marktteilnehmer: Antriebskonzepte Anlagen für Prozesswärme
• Stromerzeuger • Industrie Marktteilnehmer: Marktteilnehmer:
• Netzbetreiber Strom • EVUs • Automobilhersteller • Industrie
(ÜNB/VNB) • Netzbetreiber Gas • E-Mobility Service Provider • Wohnungswirtschaft (Haushalte)
(FLN/VNB) • Ladeinfrastrukturbetreiber • GHD
• Flottenbetreiber
11Für die Sektoren Industrie und Verkehr wird der Entwicklungsstand
möglicher Technologien der Sektorenkopplung im Folgenden
dargestellt. Hinzu kommt der Wärmebereich, der in Deutschland
über alle Sektoren hinweg einen sehr hohen Energieverbrauch
verursacht und auf den es sich lohnt, einen Blick zu werfen.
Verkehrssektor Tendenzen im Individualverkehr und
Der Verkehr ist mit einem Anteil von bei Nutzfahrzeugen
ca. 30 Prozent der größte End-energie- Im Individualverkehr scheint sich die Elek-
verbraucher aller Sektoren. Innerhalb tromobilität mittels batteriebetriebener
dessen tragen wiederum der Individual-, Fahrzeuge (BEV) oder hybrider Konzepte
Straßen-, Seegüter- und nicht zuletzt (PHEV, REEV) als wirtschaftlichste Techno-
der Flugverkehr entscheidend zu den logie durchzusetzen. Das direkte Laden
Treibhausgasemissionen bei. Bis 2018 der Batterie ist mit Effizienzvorteilen
basierte der Endenergieverbrauch im verbunden. Der nachhaltig erzeugte Strom
Verkehrssektor noch zu ca. 94 Prozent ist direkt nutzbar, und im Gegensatz zur
auf fossilen Mineralölprodukten. Für die Brennstoffzellentechnologie muss kein
Zukunft ist allerdings noch offen, welche Wasserstoff mittels verlustbehafteter Elek-
Energieträger sich am Markt letztendlich trolyse erzeugt werden. Ein BEV benötigt
durchsetzen werden. Das Spektrum reicht für 100 km entlang der gesamten Prozess-
dabei von synthetischen Kraftstoffen über kette lediglich 15 kWh Strom. Dies ist deut-
Wasserstoff bis hin zu Strom aus erneu- lich weniger bzw. nur ein Bruchteil dessen,
erbaren Energien. Für einzelne Bereiche was bei alternativen Technologien wie bei
zeichnen sich bereits erste Tendenzen ab. Brennstoffzellenfahrzeugen (31 kWh) oder
Verbrennungsmotoren mit synthetischen
Kraftstoffen (103 kWh) einzusetzen wäre.
Immer mehr deutsche OEMs hinterfragen
daher derzeit Investitionen in die weitere
Entwicklung von brennstoffzellenbetrie-
benen PKWs.
Ganz anders verhält es sich dagegen
bei den Nutzfahrzeugen. Selbst die
neueste Batterien-Generation weist
immer noch eine limitierte gravimetrische
Energiedichte auf. Infolgedessen sind die
Reichweiten im Vergleich zu den Verbren-
nungsmotoren noch deutlich geringer.
Je mehr Masse ein Fahrzeug hat, umso
größere Bedeutung gewinnt die Reichwei-
tenproblematik.
Die folgende Grafik (Abb. 5) zeigt die mög-
lichen Antriebstechnologien für die unter-
schiedlichen Fahrzeug-Gewichtsklassen.
12Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Abb. 5 – Sektorenkopplungstechnologien für den Straßenschwerlastverkehr8
Größenklasse Kleinlaster und Leichte Lkws Mittelschwere Mittelschwere Sattelzüge
umgebaute Pkws Lkws (Kategorie 1A) Lkws (Kategorie 2B)
Zulässiges Gesamtgewicht
0–3,5 t 3,5–7,5 t 7,5–12 t 12–20 t 40 t
[t]
Ø Jahresfahrleistung
ca. 13 Tsd. ca. 27 Tsd. ca. 66 Tsd. ca. 74 Tsd. ca. 106 Tsd.
[km/a]
Bestand
ca. 2,62 Mio. ca. 236 Tsd. ca. 74 Tsd. ca. 81 Tsd. ca. 219 Tsd.
[Fahrzeuge 2019]
Fahrleistung
34,1 Mrd. 6,4 Mrd. 4,9 Mrd. 5,8 Mrd. 23,2 Mrd.
[Fahrzeuge x km/a]
Energiebedarf
24,7 8,4 8,7 13,5 71
TTWB) [TWh/a]
Reine Batteriefahrzeuge
sowie Plug-in-Hybride
Power-to-Gas
Potenzielle strombasierte
Antriebstechnologien
Power-to-Liquids
Hybridoberleitungs-Lkw
A
Aufteilung der Größenklasse in zwei Kategorien entsprechend der KBA-Daten
B
Tank-to-Wheel
Im schweren Last-, Schiff- und Flugver- Option zur Nutzung einer Hybrid- Abstimmung der technischen Entwick-
kehr gewinnen die Power-to-Gas- (PtG: Oberleitung (HO-LKW). Diese Technik lungen zwischen den verschiedenen
Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse) könnte auf Autobahnen zur Anwendung Unternehmen aus den Bereichen Auto-
und Power-to-Liquids-Technologien (PtL: kommen, wo ein (teil)elektrifizierter mobil, Gase/Brennstoffe, Kommunikation
Weiterverarbeitung von Wasserstoff zu LKW-Antrieb über eine Oberleitung mit und Energiewirtschaft. Die wechselseitige
synthetischen flüssigen Kraftstoffen) Strom versorgt wird. Abstimmung der Entwicklungen ist im
zunehmend an Bedeutung. Wie bereits Interesse der Investitionssicherheit ein
oben dargestellt, kommt ein Batterieein- Alle genannten Optionen ziehen jedoch unverzichtbarer Baustein einer effizienten
satz (BEV: batterieelektrische Fahrzeuge, Investitionen in den Auf- und Ausbau von und wirtschaftlichen Umsetzung der
PHEV: Plug-in-Hybride) aus technischer Anlagen und Infrastruktur nach sich. Glei- Sektorenkopplung. Das kann auch am
Sicht nicht in Betracht. Um die Dekarboni- ches gilt für die Assets zur Bereitstellung Beispiel der Ladeinfrastruktur verdeutlicht
sierungsziele zu erreichen, liegt der Fokus der zusätzlich benötigten elektrischen werden.
daher auf Brennstoffzellen und Verbren- Energie – für z.B. die Verstärkung der
nungsmotoren. Stromnetze sowie den Ausbau der E-Lade-
und Wasserstoffinfrastruktur. Die zielkon-
Für LKWs hoher Gewichtsklassen besteht forme Umsetzung der Sektorenkopplung
darüber hinaus noch die technische bedingt eine enge und möglichst parallele
8
Zentrales Fahrzeugregister (ZFZR), abgerufen am 23.11.2020. 13Aufbau der Ladeinfrastruktur für vertraglich zusammengeschlossen, um die Ladestationen aller angeschlossenen
batteriebetriebene Fahrzeuge den Aufbau der Ladeinfrastruktur voran- Betreiber auch von Kunden dritter Anbieter
Derzeit sind in Deutschland etwa 27.700 zutreiben. So wurde z.B. die Gesellschaft im Markt nicht nur gefunden, sondern
(halb)öffentliche Ladepunkte installiert. Um Ionity von den OEMs BMW, Daimler, Ford, auch genutzt werden. Für die Betreiber
jedoch das erklärte Ziel der Europäischen VW u.a. gegründet, um die Ladeinfra- der Ladeinfrastruktur eröffnet sich damit
Union einer Absenkung der CO2-Emissionen struktur entlang der europäischen Auto- die Chance einer höheren Auslastung
von PKW-Flotten um 37,5 Prozent bis zum bahnen aufzubauen. Das alleine ist jedoch der Ladesäulen. Darüber hinaus lassen
Jahr 2030 erreichen zu können (im Vergleich nicht ausreichend. In Ergänzung hierzu sich neben den direkten Einnahmen aus
zu 2021), muss auch die Ladeinfrastruktur sind weitere lokale Kooperationen erfor- den Ladevorgängen weitere indirekte
massiv ausgebaut werden. Eine Studie im derlich, um auch auf dem (verbleibenden) Einnahmen aus z.B. Cross-Selling oder aber
Auftrag des BMWi geht davon aus, dass bis regionalen Straßennetz flächendeckend der Verfügbarkeit/ dem Zugriff auf Nut-
2030 ca. 194.000 öffentliche Ladepunkte Lademöglichkeiten anzubieten. zerdaten generieren. Datenanalysen von
benötigt werden (für einen Fahrzeug- Supermärkten zeigen, dass das Aufstellen
bestand von ca. 7,2 Mio. PKW).9 Es ist Mit diesem physischen Aufbau der Ladein- von Ladesäulen von den Kunden als beson-
erkennbar, dass für den Aufbau der Ladein- frastruktur müssen darüber hinaus auch ders „innovativ und grün“ wahrgenommen
frastruktur noch erhebliche Anstrengungen vernetzte Lösungen geschaffen werden, wird und sich auf diesem Weg neue,
unternommen werden müssen, die jedoch um den Kunden die gesamte Ladeinfra- umweltbewusste Kunden gewinnen lassen.
den Unternehmen auch die Chance bieten, struktur betreiberunabhängig zugänglich
sich an der Elektrifizierung des Verkehrssek- zu machen. Bspw. die Firma Hubject bietet
tors zu beteiligen. hierfür eine eRoaming-Plattform für
vernetzte Elektromobilität an, die ein
Vor diesem Hintergrund und nicht zuletzt anbieterübergreifendes Laden von Elek-
angesichts des hohen Investitionsvolu- trofahrzeugen in ganz Europa möglich
mens haben sich bereits Unternehmen macht. Über die Hubject-Plattform können
Abb. 6 – Voraussichtliche Entwicklung der öffentlichen Ladeinfrastruktur bis 2030
400.000 7.200.000
∆ Elektrofahrzeuge: 7,06 Mio.
350.000 6.200.000
300.000 5.200.000
250.000 4.200.000
200.000 3.200.000
∆ Ladepunkte: 166 Tsd.
150.000 2.200.000
100.000 1.200.000
50.000 200.000
0 -800.000
2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Ladepunkte Ladepunkte Prognose Elektrofahrzeuge Elektrofahrzeuge Prognose
14 9
Universität des Saarlandes, „Automobile Wertschöpfung 2030/2050“, Dezember 2019, S. 209.Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Elektrofahrzeuge als netzdienliche Regulatorischer Ausblick
Assets Die Sektorenkopplung stellt die Politik vor
Aus einer flächendeckenden Nutzung die Herausforderung, neben einem sek-
von Elektrofahrzeugen eröffnen sich toralen auch einen sektorübergreifenden
wiederum Chancen bzw. potenzielle Regulierungsansatz zu finden. Die gesetz-
Anwendungen für die Sicherstellung der geberischen Aktivitäten beschränken sich
Netzstabilität. Autobatterien laden in derzeit aber überwiegend auf die ener-
Zeiten hoher EE-Verfügbarkeit und nied- giewirtschaftlichen Rahmenbedingungen,
riger Strompreise. Im Falle eines Erzeu- indem andere Sektoren in die Regulierung
gungsengpasses bzw. hoher Strompreise der Energiewirtschaft einbezogen werden.
erfolgt eine Rückeinspeisung ins Netz. Am Beispiel des Verkehrssektors lässt sich
Damit lässt sich in Teilen Regelenergie zur der vom Gesetzgeber gewählte Ansatz gut
Stabilisierung der Energieversorgung für ablesen: Ladesäulen sind grundsätzlich
das lokale Netz bereitstellen, was Auto- von der Ladesäulenverordnung (LSV) und
mobilherstellern oder Mobilitätsanbietern dem Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)
grundsätzlich die Chance eröffnet, neue erfasst und die Betreiber unterstehen der
Geschäftsmodelle und Einnahmequellen Aufsicht der Bundesnetzagentur (BNetzA).
aufzubauen. Im Jahr 2025 dürfte der So können Ladesäulen bereits heute als
geschätzte Bestand an Elektrofahrzeugen steuerbare Verbrauchseinrichtungen von
in Deutschland in der Lage sein, über 60 verringerten Netzentgelten profitieren.
Gigawattstunden Strom zu speichern. Des Weiteren sind Ladesäulen bzw. die
Diese Speicherkapazität wird sich bis zum Akkumulatoren von angeschlossenen/
Jahr 2030 bereits auf annähernd eine ladenden Elektrofahrzeugen potenzielle
halbe Terawattstunde vergrößert haben. Teilnehmer an künftigen Systemhaltungs-
Die Europäische Kommission geht davon maßnahmen der Verteilnetzbetreiber
aus, dass bis 2050 ca. 20 Prozent der in (sog. Ampelsystem).11 Der Aufbau der
der EU benötigten täglichen Flexibilität Infrastruktur wird auch mittelbar durch
durch Elektrofahrzeuge bereitgestellt gesetzliche Auflagen für Gebäudeeigen-
werden kann.10 tümer angereizt durch die Einführung des
Gebäudeelektromobilitäts-Infrastrukturge-
Eine entscheidende Herausforderung setzes (GEIG). Diese Anreiz-Mechanismen
dürfte dabei sein, die Bereitstellung von des energiewirtschaftlichen Rege-
Regelenergie – trotz einer begrenzten lungsrahmens z.B. über verminderte
Zyklenfestigkeit der Akkumulatoren – Strombezugskosten wird der Gesetzgeber
wirtschaftlich auszugestalten. Dies steht weiterverfolgen.
natürlich auch in Abhängigkeit von den
durch die Regulierung bereitgestellten Gleichzeitig wird der Gesetzgeber
Anreiz- und Vergütungsmodellen. verkehrssektorspezifische Maßnahmen
wie etwa Quotenregelungen (z.B. Bio-
kraftstoff) einführen, um die Entwicklung
voranzutreiben. Insoweit bleibt zu hoffen,
dass der künftige Regulierungskanon aus
sektorspezifischen Maßnahmen auch zur
Sektorenkopplung beiträgt und nicht in
ein Regulierungsdickicht führt.
10
owering a climate-neutral economy: Commission sets out plans for the energy system of the future and clean hydrogen,
P
abgerufen am 23.11.2020.
11
BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., „Elektromobilität als Anwendungsfall des Ampelkonzepts im Verteilnetz“,
April 2018, S. 6. 15Industrie Abb. 7 – Endenergieverbrauch im Industriesektor 2018 nach Energieträgern12
Der Industriesektor stellt den zweit-
größten Endenergieverbraucher unter 21 TWh
den Sektoren dar (s. Kapitel 1), wobei zu Sonstige Energieträger
den zwei größten Verbrauchergruppen 2,8% 120 TWh
32 TWh
insbesondere die Metallerzeugung und Stein- und Braunkohle
Erneuerbare Wärme
die Grundstoffchemie zählen. 16,3%
4,4%
47 TWh
Ab dem Jahr 1990 ging der Endenergie-
Fernwärme 28 TWh
verbrauch in der Industrie zwar zunächst
6,4% Mineralölprodukte
merklich zurück, was vor allem auf den
Schwund der Industrie in den neuen 3,8%
Bundesländern zwischen 1990 und
1993 zurückzuführen war. Ab 2002 stieg 736 TWh
dieser dann aber mit dem Wirtschafts-
wachstum wieder deutlich an und betrug
im Jahr 2018 über 700 TWh. Etwa zwei 227 TWh
Drittel des Endenergieverbrauchs der Strom (inkl.
Industrie werden für die Erzeugung von erneuerbare Energien)
262 TWh
Prozesswärme benötigt. Etwa ein Drittel 30,8%
Gase
entfällt auf den Betrieb von Motoren und
35,5%
Maschinen. Raumwärme ist ein relativ
kleines Segment und wird im folgenden
Abschnitt Wärme betrachtet.
Die Endenergieversorgung der Industrie Elektrifizierung der Anlagen für Hochtemperatur-Wärmepumpen, die
basierte 2018 noch zu mehr als zur Hälfte Prozesswärme die Umgebungswärme aus Sole, Wasser
auf Gas, Kohle und Mineralöl (s. Abb. 7). Die Prozesswärme spielt in der Industrie oder Luft nutzen, ggf. in Kombination mit
Der Anteil an Strom (inkl. EE) beträgt 31 in Bezug auf den Energieverbrauch die mechanischen Brüdenverdichtern für
Prozent, und die erneuerbare Wärme zentrale Rolle. Beim Ausloten alternativer Temperaturen bis maximal 200° C infrage.
kommt auf einen kleinen Anteil von 4 Energieträger müssen für eine wirt-
Prozent. Für eine Dekarbonisierung muss schaftlich sinnvolle Dekarbonisierung Gegenüber den bislang üblichen Industrie-
auch hier in den nächsten Jahren bzw. allerdings unterschiedliche Temperatur- gaskesseln zeichnen sich Elektrodenheiz-
Jahrzenten eine stärkere Elektrifizierung niveaus betrachtet werden. Während die kessel und Wärmepumpen in der Regel
stattfinden. Erzeugung sehr hoher Temperaturen für durch einen höheren Wirkungsgrad aus,
Schmelz- und Brennprozesse bislang nicht aber auch durch rund 50 bzw. mehr als
Doch wo liegen in der Industrie die oder nur sehr schwer elektrifiziert oder 100 Prozent höhere Investitionskosten
wesentlichen Ansatzpunkte? mit grünem Wasserstoff wirtschaftlich (240 bzw. 375 ggü. 150 €/kW) und einer
betrieben werden kann, stehen für die vermutlich geringeren Lebensdauer (20
Erzeugung von Prozesswärme im niedri- statt 30 Jahre). Der Hauptgrund für die
geren Temperaturbereich < 500° C bereits bislang zurückhaltende Elektrifizierung
heute durchaus geeignete elektrothermi- dieser Temperaturbereiche liegt allerdings
sche Verfahren zur Verfügung. darin, dass Energie aus Strom mit hohen
Abgaben und Steuern belegt wird und
Zur Erzeugung von Dampf für Produkti- daher momentan gegenüber dem Einsatz
onsprozesse beispielsweise bieten Power- fossiler Brennstoffe nicht wirtschaftlich
to-Heat-Konzepte die Möglichkeit, den Ein- nutzbar ist. EEG-Umlage, CO2-Handels-
satz fossiler Brennstoffe in KWK-Anlagen und Steuersysteme und andere Einfluss-
oder Gaskesseln zu vermeiden oder doch faktoren ändern sich allerdings fortlau-
zumindest zu reduzieren. Hier kommen fend. Daher sollten unter Zugrundelegung
Elektrodenheizkessel mit Heizschwertern der aktuellen und zukünftigen Rahmen-
für Temperaturen bis zu 500° C sowie bedingungen die spezifischen Differenz-
16 12
Auswertungstabellen zur Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland 1990 bis 2018, abgerufen am 23.11.2020.Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Abb. 8 – Erneuerbare Prozesswärme nach Temperaturniveau13
Wärmepumpe
Geothermie
Solarthermie
Alternative Brennstoffe
(biogen oder synthetisch sowie Abfälle)
Direkter elektrischer Energieeintrag
100° C 500° C 1.000° C 1.500° C
kosten der Elektrifizierung fortlaufend im von ca. 50 bis 60 Prozent je Tonne Stahl Entwicklung eines e-Crackers arbeiten
Blick behalten werden. verbunden ist. Dies wirkt sich natürlich wollen, da sich die technologischen Her-
nachteilig auf die Wettbewerbsfähigkeit ausforderungen gemeinsam effizienter
Sowohl aus technologischer als auch aus.14 Vor diesem Hintergrund werden meistern lassen. Bis spätestens 2050
ökonomischer Sicht stellt die Erzeugung daher Fördermöglichkeiten wie der EU-In- wollen die beiden Unternehmen eine auch
von Hochtemperaturwärme auf Basis der novationsfond, Grünstahlquoten für Kon- unter ökonomischen Gesichtspunkten
erneuerbaren Energien die größte Heraus- sumgüterproduzenten oder gar Umlagen einsetzbare e-Cracker-Lösung realisieren.
forderung dar. Das betrifft insbesondere für die Endkunden von Stahlprodukten
auch die Produktion von Stahl. Zur diskutiert. Eine Primärstahlerzeugung
Schmelzung von Stahlschrott lassen sich auf Basis einer Eisenelektrolyse wird aus
zwar Elektrolichtbogenöfen nutzen. Diese langfristiger Sicht voraussichtlich nicht
können auch mit grünem Strom betrieben vor 2050 zu erwarten sein, stellt dann
werden, was jedoch mit dem ökonomi- allerdings eine CO2-freie produktionstech-
schen Nachteil eines sehr hohen Strom- nische Alternative dar.
verbrauchs erkauft werden muss. Im Jahr
2017 wurde mithilfe dieser Technik bereits Ein weiteres Beispiel, das die techni-
über ein Drittel der Stahljahresproduktion schen Herausforderungen in Bezug auf
erstellt. Da allein die Wiederverwendung die Erzeugung von Prozesswärme im
von Stahlschrott für die Bedarfsdeckung Hochtemperaturbereich deutlich macht,
allerdings nicht ausreichend ist, kann die ist die perspektivische Elektrifizierung
emissionsbehaftete Hochofentechnik der Cracker-Technologie. Cracker werden
bislang nicht vollständig ersetzt werden. von Raffinerien eingesetzt, um Naphtha
Die Firma Salzgitter geht bei der Substi- oder Flüssiggase in Olefine und andere
tution ihrer alten Hochofentechnik durch Chemierohstoffe aufzuspalten. Im Juni
Direktreduktionsanlagen (mit grünem 2020 haben die Unternehmen Shell Che-
Wasserstoff) samt Elektroöfen davon aus, micals und DOW in einer Presseerklärung
dass dies mit operativen Mehrkosten veröffentlicht, dass sie gemeinsam an der
13
ntjie Seitz & Stefan Estelmann, Erneuerbare Energien für Prozesswärme aus Sicht der Wissenschaft, abgerufen am 23.11.2020.
A
14
Emissionen auf der Spur, abgerufen am 23.11.2020. 17Grüner Wasserstoff als Energieträger Für die Sektorenkopplung muss neben wäre aus europa- und nationalrechtlicher
Die Nationale Wasserstoffstrategie des dem Ausbau der erneuerbaren Energien – Sicht auch heute schon grundsätzlich für
Bundes und die Europäische Wasser- was essenziell ist – allerdings auch die Verteilnetze möglich, allerdings bestehen
stoffallianz beabsichtigen nicht weniger, als Wasserstoffinfrastruktur noch erheblich doch substanzielle Unterschiede der
den europäischen Wasserstoffmarkt von ausgebaut werden. Abbildung 9 gibt zu Wirtschaftszweige: Während die Regu-
derzeit knapp 10 Millionen Tonnen (ca. 13% den einzelnen Phasen einen Überblick. lierung der Energiewirtschaft auf einem
der weltweiten Wasserstoffproduktion) vorhandenen Energiemarkt aufbaute, ist
und einem Umsatz von rund 2 Mrd. € bis Derzeit werden hierzu technische Mach- der Wasserstoffmarkt noch im Entstehen.
2030 auf 140 Mrd. € zu versiebzigfachen. barkeitsprojekte realisiert, wie beispiels- Eine gleichgelagerte Regulierung der
Dabei gilt es, die Produktion, Übertragung weise die von ITM und Shell errichtete Infrastruktur ist daher nur bedingt ziel-
und Nutzung in der Mobilität, Industrie, PEM-Elektrolyse („Refhyne“) mit einer führend. Nichtsdestotrotz dürfte es auf
Energie- und Heizungswirtschaft zu Kapazität von 10 MW in der Rheinland eine Regulierung der Infrastruktur – auch
optimieren. Grüner Wasserstoff spielt in Raffinerie in Wesseling. In der nächsten der bereits bestehenden – hinauslaufen,
Zukunft die zentrale Rolle als Energielie- Phase gilt es, technische Anlagen zu die einen nicht-diskriminierenden Zugang
ferant im Rahmen der Energiewende, u.a. realisieren, Betriebserfahrung zu sammeln Dritter zur Infrastruktur einführt. Die zen-
auch deswegen, weil sich überschüssiger und die Geschäftsmodelle rentabel zu tralen Fragen, die gelöst werden müssen,
Strom über Elektrolyseverfahren in Form gestalten. sind aber die Finanzierung neuer und die
von Wasserstoff speichern lässt. Dennoch Öffnung bestehender Infrastrukturen.
muss an dieser Stelle darauf hingewiesen Regulatorischer Ausblick
werden, dass die Herstellung grünen Neben dem technischen Fortschritt muss Die Elektrifizierung eröffnet gerade der
Wasserstoffs sehr energieintensiv ist und die Dekarbonisierung der Industrien Industrie Chancen und Ansatzpunkte, dar-
im Vergleich zur Wasserstoffherstellung zusätzlich von regulatorischer Seite über hinaus im Sinne eines intelligenten
auf Erdgasbasis (Dampfreformation) rund unterstützt bzw. beschleunigt werden. Demand-Side-Managements einen Beitrag
zehnmal so viel Energie benötigt. D.h., Dazu zählen z.B. die Absenkung der zur Stabilität des energiewirtschaftli-
unter Beachtung dieser Rahmenbedin- Stromnebenkosten für Elektrolyseure chen Systems und der Netze zu leisten.
gungen kann Wasserstoff insbesondere sowie die Reduzierung bzw. Befreiung Sie muss daher ein zentrales Element
dann sinnvoll genutzt werden, wenn der von der EEG-Umlage.15 Außerdem könnte der zukünftigen Energieversorgung
direkte Einsatz von Strom nicht möglich ist beispielsweise die Umstellung auf Direkt- werden. Sei es, indem überschüssiger
(z.B. zur Speicherung) oder grüner Wasser- reduktion von Eisenerz bei der Vergabe erneuerbarer Strom in Form von grünem
stoff in Form einer stofflichen Nutzung, z.B. der Emissionszertifikate/ETS-Handels- Wasserstoff zwischengespeichert oder
in der chemischen Industrie, verwendet systeme stärker honoriert werden. die Bereitstellung strombasierter Prozess-
werden soll. wärme netzdienlich organisiert wird. Dafür
Gegenwärtig gibt es eine Reihe von Initi- bedarf es auf regulatorischer Seite die
Grüner Wasserstoff lässt sich auch ins ativen, die darauf zielen, die technischen bestehenden Anreize in EnWG, StromNEV,
deutsche Erdgasnetz einspeisen, wobei Voraussetzungen für eine funktionierende GasNEV sowie im EEG für Stromspeicher
5–10 Volumenprozent technisch ohne Wasserstoffwirtschaft zu schaffen. So ent- weiterzuentwickeln und auszubauen.
Weiteres möglich sind. Die Erlöse von hält der von den Fernleitungsnetzbetrei-
25–30 €/MWh H2 sind jedoch relativ bern vorgestellte Netzentwicklungsplan
gering. Wird grüner Wasserstoff in lokalen Gas 2020–2030 Maßnahmen für ein Was-
Speichern zwischengelagert, eröffnen sich serstoffnetz, das schwerpunktmäßig in
voraussichtlich finanziell interessantere Nordrhein-Westfalen und Niedersachsen
Nutzungspfade in der Industrie und vor aufgebaut werden soll und Verbindungen
allem im Verkehrssektor. Denn der Einsatz zu den Niederlanden hat. Im Hinblick
z.B. in Brennstoffzellenfahrzeugen (Busse, auf die – mögliche – Regulierung der
Lastkraftwagen, Schiffe etc.) ermöglichen benötigten Wasserstoffinfrastruktur ist
voraussichtlich die höchsten Erlöse in festzuhalten, dass sich zwar die Bundes-
Höhe von 100–300 €/MWh H2, da es kaum netzagentur bereits positioniert und –
andere Dekarbonisierungsmöglichkeiten mittelbar – für eine an der Regulierung
für diese Sektoren gibt. der Strom- und Erdgasnetze orientierte
Regulierung ausgesprochen hat.16 Dies
15
ie Bundesregierung strebt in der laufenden Novellierung des EEG eine Befreiung von der EEG-Umlage für den Bezug des für
D
die Elektrolyse verwendeten Stroms an. Das Inkrafttreten des neuen EEG 2021 wird für den 01.01.2021 erwartet.
18 16
Bundesnetzagentur, „Regulierung von Wasserstoffnetzen - Bestandsaufnahme“, Juli 2020, S. 72.Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Abb. 9 – Entwicklung des Wasserstoffs im Rahmen der Sektorenkopplung
Entwicklung neuer Sekto- Intensivierung der Sektorenkopplung flächen-
renkopplungskonzepte Sektorenkopplung deckend umgesetzt
(bis 2025) (bis 2035) (nach 2035)
Kontinuierlicher Ausbau
Breiter Einsatz effizienter
Elektrolyse Aufbau von Pilotanlagen und Weiterentwicklung der
Verfahren
Technik
Zunehmende Einspeisung in Ausbau von Wasserstoff- Ausgebaute, intelligente
H2-Infrastruktur
vorhandene Gasnetze speicherkapazitäten Wasserstoffnetzwerke
Weitere Entwicklung von Steigender Bedarf in Großflächige Verteilung und
H2-Nutzung
(Pilot-)Anwendungen Industrie und Verkehr Nutzung
Zunehmende Produktion
Hohe Investitionen in Zunehmend rentable
Kosten und damit einhergehende
Forschung und Entwicklung Geschäftsmodelle
Kostendegressionseffekte
Anpassung des
regulatorischen Rahmens Ausgereifte Marktmechanismen
Rahmenbedingungen
und umfassende staatliche und Infrastruktur
Fördermaßnahmen
Wasserstoff wird sich zum zentralen
Energieträger der Sektorenkopplung
entwickeln.
19Wärmesektor privaten Haushalte mit ca. 44 Prozent, Mit Blick auf Abbildung 11 und die ver-
Der Wärme-Anteil am Gesamtenergie- deren Endenergiebedarf insbesondere wendeten Energieträger fällt auf, dass in
verbrauch in Deutschland beträgt über für die Erzeugung von Raumwärme und privaten Haushalten bislang immer noch
alle Sektoren hinweg über 56 Prozent die Warmwasseraufbereitung anfällt. Die vorwiegend Erdgas- und Ölheizungen für
(s. Abb. 10). Damit wird für die Wärme- Industrie folgt dicht dahinter mit knapp die Wärmeerzeugung in Gebäuden zum
und Kälteerzeugung in Gebäuden, die 40 Prozent Gesamtenergieverbrauch, Einsatz kommen. Der Anteil beläuft sich auf
Bereitstellung von Warmwasser sowie die wobei hier die Erzeugung von Prozess- insgesamt ca. 75 Prozent. In der Industrie
Prozess- und Klimakälte mit Abstand die wärme dominiert, wie bereits in Abschnitt ist es nicht anders, auch hier werden die
meiste Energie in Deutschland verbraucht. Industrie näher erläutert wurde. Gebäude bislang weitgehend fossil beheizt.
Den größten Anteil haben hierbei die
Abb. 10 – Endenergieverbrauch in Deutschland 2017: Anteile für Wärme nach Anwendungsbereichen in den
einzelnen Sektoren17
35%
30% 29,5%
28,9%
26,1%
25% 94,4%
5,0%
75,5% 6,1%
2,7%
20% 15,7%
15,5%
15%
86,4%
64,1%
10%
73,2% 5,4%
10,5%
8,6%
5%
75,5%
10,9% 0,0%
0%
Industrie davon Haushalte davon GHD* davon Verkehr davon
Wärmemarkt Wärmemarkt Wärmemarkt Wärmemarkt
Gesamt Raumwärme Warmwasser Prozesswärme K limakälte Prozesskälte
* Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
20 17
Anwendungsbilanzen zur Energiebilanz Deutschland, abgerufen am 23.11.2020.Durch Sektorenkopplung zu einer dekarbonisierten und nachhaltigen Ökonomie
Abb. 11 – Beheizungsstruktur in Deutschland18
100%
14,0 12,6 11,4 10,6 10,1 9,7 9,4 9,2 9,0 9,0
16,6 15,3
12,3 12,3 12,4 12,4 12,4 12,4 12,5 12,5
80% 12,0 12,0 12,2
12,0
32,6 32,2 31,9 31,6 31,2 30,9 30,5
60% 33,2 32,9
33,7 33,4
34,0
40%
43,4 44,5 45,3 46,0 46,6 47,2 47,6 48,0
20% 37,4 39,0 40,6 42,0
0%
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
100%
9,0 9,1 9,1 9,3 9,7 9,9 10,3 10,4 10,6 10,6 10,7 10,8
12,6 12,6 12,7 12,8 12,9 13,1 13,3 13,5 13,6 13,7 13,8 13,9
80%
30,1 29,8 29,3 28,9 28,3 27,8 27,2 26,8 26,5 26,3 26,1 25,9
60%
40%
48,3 48,5 48,9 49,0 49,1 49,2 49,2 49,3 49,3 49,4 49,4 49,4
20%
0%
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Gas Heizöl F ernwärme Strom, Elektro-Wärmepumpen und Sonstiges
Der CO2-Ausstoß für die Wärmeversorgung Gas-Heizkessel besteht z.B. eine Austausch- sich die Frage, welcher Lösungsraum sich
in Gebäuden insgesamt ist daher entspre- pflicht, wenn diese älter als 30 Jahre sind. hierfür technisch aufspannen lässt. Hierzu
chend hoch und macht ca. ein Drittel der Bei Neubauten soll verstärkt auf Techniken lässt sich festhalten: Fossile Brennstoffe
CO2-Emissionen in Deutschland aus19. Die der erneuerbaren Energie wie Solaranlagen, können bereits heute durch grünen Strom
bereits 2009 eingeführte „Verordnung Biogas, Holzheizungen oder Wärmepumpen ersetzt werden, der seinerseits mittels der
über energiesparenden Wärmeschutz zurückgriffen werden. Dies ist ein Schritt in Power-to-Heat-Technologie – entweder
und energiesparende Anlagentechnik bei Richtung EU-Gebäuderichtlinie (Richtlinie zentral oder dezentral – in Wärme umge-
Gebäuden“ (EnEV), die Vorgaben zur 2018/844 EU) bzw. Niedrigenergiegebäude. wandelt werden kann.
Heizungs- und Klimatechnik sowie zum
Wärmedämmstandard von Gebäuden Es bleibt festzustellen, dass auch in der
macht, wurde daher in den letzten Jahren Wärmeerzeugung für Gebäude noch großes
immer wieder verschärft – zuletzt 2016. Einsparpotenzial von CO2-Emissionen
Für Bestandsgebäude mit Öl- oder liegt. In diesem Zusammenhang stellt
18
BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., „Entwicklung des Wärmeverbrauchs in Deutschland“, Mai 2019, S. 19.
19
EG: Was steht im neuen Gebäudeenergiegesetz?, abgerufen am 23.11.2020.
G 21Dezentrale Wärmebereitstellung für Die Wärmepumpen-Technologie wird somit ergänzen, indem sie überschüssigen,
Gebäude zur wichtigsten Heiztechnik (Raumwärme erneuerbaren Strom in Wärme umwan-
Während bei dezentralen elektrischen Hei- und Warmwasser) der Zukunft. Mit dem deln. Das Fernwärmenetz der Stadt Flens-
zungssystemen ein deutlicher Rückgang zunehmenden Einsatz ist allerdings auch burg ist hierfür ein Praxisbeispiel.
von Stromdirekt- und Nachtspeicherhei- mit einem weiter steigenden Strombedarf
zungen zu beobachten ist – nicht zuletzt von 80 bis 135 TWh zu rechnen. Im Inter- Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades
aufgrund steigender Strompreise sowie esse einer nachhaltigen CO2-Reduzierung von über 85 Prozent werden in Deutsch-
des ordnungsrechtlichen Rahmens der sollte dieser zusätzliche Bedarf natürlich land ebenfalls KWK-Anlagen wie z.B.
EnEV (jetzt Gebäudeenergiegesetz – durch erneuerbaren Strom gedeckt Blockheizkraftwerke durch das Kraft-
GEG) –, gewinnen Wärmepumpen werden.22 Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) geför-
zunehmend an Bedeutung. Aufgrund dert. Auch KWK-Anlagen können über
des technischen Reifegrades steht eine Zentrale Wärmebereitstellung mit das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
effiziente Technologie zur Verfügung, die Wärmenetzen vergütet werden. Dies kann der Fall sein,
u.a. auch die Vorgaben des GEG meistert. Bei zentraler Wärmeversorgung mittels wenn die KWK-Anlage als Energieträger
Wärmepumpen erzeugen aus einer Fern- oder Nahwärmenetzen kommen z.B. Biogas oder synthetischen Kraftstoff
Kilowattstunde Strom je nach Jahresar- bislang häufig reine Heizkraftwerke oder nutzt, der selber wiederum auf der Grund-
beitszahl drei bis fünf Kilowattstunden Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK- lage erneuerbaren Stroms erzeugt wurde.
Wärme20. Dies ist ein Grund, warum bei Anlagen) zum Einsatz, in denen neben
30 Prozent der Neubauten in Deutschland fossilen Energieträgern wie Steinkohle und Allerdings ist durch die grundsätzliche
die Entscheidung zugunsten der Wärme- Erdgas auch Abfälle oder biogene Energie- Umstellung der Fördersystematik in ein
pumpe fällt. träger verbrannt werden. Die Versorgung Direktvermarktungsmodell mit vorgela-
von Wohngebäuden mit Fernwärme hatte gerter Ausschreibung (Ausnahme Kleinst-
Wärmepumpensysteme lassen sich 2018 – bei steigender Tendenz – einen anlagen) die finanzielle Förderung in den
zudem mit Heizstäben ergänzen, die für Anteil von 14 Prozent. In größeren Städten letzten Jahren deutlich zurückgegangen.
sich genommen nicht sinnvoll energetisch wie Berlin, Mannheim, Hamburg und Für die Sektorenkopplung eignen sich
einsetzbar sind, aber in einem begrenzten Düsseldorf ist das Fernwärmenetz bereits insbesondere KWK-Anlagen mit stromge-
bivalenten Betrieb überschüssigen, erneu- gut ausgebaut und wird auch noch erwei- führter Fahrweise, die zur Erhöhung der
erbaren Strom kurzfristig aufnehmen tert. Die fossilen Energieträger könnten Flexibilität mit Power-to-Heat-Modulen,
können. alternativ auch durch Großwärmepumpen, wie z.B. Elektroheizkesseln, ergänzt
Elektroheizkessel oder aber KWK-Anlagen werden. Gleichzeitig angeschlossene
Der Einbau von Wärmepumpen wird über ersetzt werden. Diese technischen Opti- Großwärmespeicher erhöhen zudem
zahlreiche Möglichkeiten wie z.B. durch onen erlauben es, die Sektorenkopplung noch die Flexibilität für den Strommarkt.
Zuschüsse des Bundesamtes für Wirt- weiter voranzutreiben. So können auch Diese erlauben es je nach technischer
schaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) oder Großwärmepumpen ihre Energie in Auslegung, die Wärmeversorgung bis
in Form eines zinsgünstigen Kredits der Wärmenetze einspeisen. Für die Zukunft zu mehrere Wochen/ggf. gar Monate zu
KfW-Bank gefördert. Viele Bundesländer, ist zu erwarten, dass die Wärmepumpen überbrücken. 2018 trugen KWK-Anlagen
Kommunen oder Energieversorger stellen grundsätzlich technische Vorlauftempera- in Deutschland mit ca. 230 TWh zur Wär-
ebenfalls Fördermittel zur Verfügung, turen von über 100° C erzeugen können. meversorgung bei und stellen damit ein
sodass Investitionen in elektrische Die Wärmenetze der vierten Generation wesentliches Element der Energiewende
Wärmepumpen deutlich erleichtert werden jedoch mit einem deutlich niedri- und Sektorenkopplung dar.
werden. Wir gehen mit Blick auf das Jahr geren Temperaturfenster zwischen
2050 davon aus, dass die Versorgung von 20 und 95° C auskommen bzw. ope- Allerdings ist hier kritisch anzumerken,
Gebäuden mit Niedrigtemperaturwärme rieren23. Dadurch verringern sich die dass eine flexible stromgeführte Fahr-
bis zu 90 Prozent 21 durch Wärmepumpen Energieverluste. weise von KWK-Anlagen nicht in allen
erfolgen wird. Hierfür gibt es mehrere Fällen wirtschaftlich darstellbar ist. Diese
Gründe – den Zwang zur Erreichung der Ähnlich den Heizstäben in der dezentralen Situation dürfte sich durch die Einführung
Klimaziele, die Förderung der Wärmepum- Erzeugung von Gebäudewärme können des Brennstoffemissionshandels, der
pentechnik durch den Bund sowie den Elektroheizkessel bereits vorhandene v.a. Erdgas verteuern wird, nochmals
Reifegrad dieser Heiztechnologie. Wärmesysteme und -netze ebenfalls verschärfen.
20
Wärmepumpe im Neubau, abgerufen am 23.11.2020.
21
arek Miara, Gestiegene Effizienz: Feldtests bestätigen Potenzial von Wärmepumpen als wichtigster Heiztechnik der Zukunft,
M
abgerufen am 23.11.2020.
22
Bundeswirtschaft für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, „Grundsatzstudie Energieeffizienz“, 2018, S. 134.
22 23
Innovative Lösungen: Wärmenetze 4.0 sind smart und besonders effizient, abgerufen am 23.11.2020.Dennoch werden Wärmenetze im Rahmen Klimaanlagen zur Verfügung gestellt
der Energiewende und Sektorenkopplung werden kann. Denn Klimaanlagen lassen
zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die sich, ähnlich wie Heizungen, kurzzeitig
Bundesförderung für effiziente Wärme- abschalten, ohne dass die Raumtempe-
netze „Wärmenetzsysteme 4.0“ fördert ratur spürbar beeinträchtigt wird.
deshalb innovative Wärmenetzsysteme,
die überwiegend mit erneuerbaren Ener- Regulatorischer Ausblick
gien bzw. Abwärme betrieben werden und Grundsätzlich ist festzuhalten, dass der
sich gleichzeitig durch eine strommarkt- Wärmebereich, anders als Strom- und
dienliche Sektorenkopplung auszeichnen. Erdgasversorgung, (noch) nicht einer Sek-
Die Förderung zielt dabei insbesondere torregulierung unterliegt. Im Wesentlichen
auf die kommunalen Betriebe oder Zweck- werden die gesetzlichen Rahmenbedin-
verbände. gungen durch das GEG, das KWKG und
das EEG gesetzt. Entsprechend ist zu
Flexibilitätspotenziale durch erwarten, dass hierin die nötigen Impulse
Sektorenkopplung im Wärmebereich in Zukunft implementiert werden.
Die Sektorenkopplung im Niedrigtempe-
raturbereich lässt sich bereits heute mit Es bestehen dabei zahlreiche regulato-
ausgereifter Technik umsetzen. Von Vorteil rische Herausforderungen, an denen
im Sinne der Systemdienlichkeit ist auch, für eine smarte und schlagkräftige
dass der Energiebedarf in Grenzen flexibi- Sektorenkopplung im Wärmebereich
lisiert werden kann, indem der Strom- und weiter zu arbeiten ist. Dies betrifft z.B. das
Wärmesektor gekoppelt wird. Power-to- Incentivieren kleiner Marktakteure durch
Heat-Module können dabei flexibel einge- das EnWG, um eine flexible Fahrweise
setzt werden. Sie erfüllen grundsätzlich ihrer Wärmepumpen entsprechend zu
die technischen Voraussetzungen für den vergüten. Auch flexible, lastvariable Tarife
Minutenreserve- als auch für den Sekun- durch eine Dynamisierung der EEG-Um-
därreservemarkt. lage oder der Netzentgelte wären grund-
sätzlich Mittel, die Sektorenkopplung mit
So können beispielsweise KWK-Anlagen entsprechenden Preissignalen am Markt
mit Power-to-Heat-Modulen als zuschalt- zu unterstützen. Es bleibt abzuwarten,
bare Lasten gemäß § 13 Absatz 6a EnWG ob das sog. Ampelsystem im Verteilnetz
vermarktet werden. Bei simultaner Dros- zeitnah Realität wird und entsprechende
selung von KWK-Anlagen (Stromeinspei- Anreize schafft.
sung sinkt) und elektrischer Wärmebereit-
stellung (Stromausspeisung steigt) lässt
sich Überschussstrom aus erneuerbaren
Energien verwerten. Die BNetzA räumt
den Übertragungsnetzbetreibern ein,
zuschaltbare Lasten unter bestimmten
Voraussetzungen von bis zu
2 GW zu kontrahieren.
Abschließend sei noch ergänzend
erwähnt, dass einige der aufgezeigten Fle-
xibilitätspotenziale natürlich auch für die
Kälteerzeugung gelten. So zeigt beispiels-
weise ein Pilotprojekt an einem deutschen
Flughafen, dass Regelleistung über die
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