Dieser Artikel ist der Frage gewidmet, welchen Beitrag eine verstärkte Sektorenkopplung zum Gelingen der Energiewende leisten kann. Ausgehend von einer Einführung der Prinzipien und Technologien bietet er Einblicke in die zur Erforschung der Sektorenkopplung angewendeten Methoden, sowie ausgewählte Ergebnisse. 

Hinsichtlich der Energieversorgung versteht man unter Sektorenkopplung im Allgemeinen eine engere Verzahnung und Verknüpfung verschiedener Energieanwendungsbereiche, sowie die Zunahme von Verzweigungs- und Verknüpfungsstellen im Energiesystem. Die wesentlichen Anwendungsbereiche der Energie sind dabei die Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität

Acksel, Daniel

Dotzauer, Martin

Fischedick, Manfred

Gils, Hans Christian

Horst, Juri

Hüsing, Fabian

Littwin, Matthias

Merten, Frank

Palzer, Andreas

German

Institute of Transport Research:Publications

FVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Sektorenkopplung als Baustein der EnergiewendeFVEE-Jahrestagung, Berlin, 2. November 2016Dr. Hans Christian Gils, DLRMartin Dotzauer, DBFZDaniel Acksel,  GFZDr. Andreas Palzer, ISEMatthias Littwin, Fabian Hüsing, ISFHJuri Horst, IZESProf. Dr. Manfred Fischedick, Frank Merten, WIFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Was ist Sektorenkopplung?Weitere Optionen: industrielles Lastmanagement/Hybridisierung, Strom-Wärme-Strom-Systeme, flexibler Einsatz elektrischer Betriebsmittel im GasnetzFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Nutzung von Überschüssen:• Speicherladung • Erhöhung des Strombedarfs• Stromexport• Nutzung in anderen SektorenWarum brauchen wir Sektorenkopplung?DefizitÜberschussDeckung von Defiziten:• Speicherentladung• Senkung des Strombedarfs• Stromimport• Einsatz regelbarer Kraftwerke1. Vollständige Dekarbonisierung der Energieversorgung erfordert Elektrifizierung und/oder Nutzung synthetischer Energieträger in Wärme- und Verkehrssektor2. Nutzung hoher Anteile fluktuierender erneuerbarer Energien (EE):FVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Was kann Sektorenkopplung leisten?Nutzung von Überschüssen- Gesteuertes Laden von Batteriefahrzeugen - Stromgeführter Einsatz von Wärmepumpen, ermöglicht durch Wärmespeicher- Zusätzliche elektrische Wärmeerzeugung in Wärmenetzen/-speicher und Industrie- Wasserstofferzeugung für synthetischer EnergieträgerDeckung von Defiziten- Stromgeführter Einsatz von KWK-Anlagen, ermöglicht durch Wärmespeicher- Absenkung des Strombedarfs (Batteriefahrzeuge, Wärmepumpen, Elektrolyseure)- Rückverstromung synthetischer BrennstoffeDefizitÜberschussFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Welche Potenziale hat die Sektorenkopplung?Die FVEE-Institute untersuchen die Potenziale der Sektorenkopplung…… für alle verfügbaren Optionen: Elektromobilität, Strom-zu-Wärme, Strom-zu-Gas…… für verschiedene Betrachtungszeiträume: kurzfristig, mittelfristig, langfristig… auf unterschiedlichen Skalen: von der Gebäudesimulation zur europaweiten Analyse… mit vielfältigen Methoden: Messungen, Feldtests, Simulation, Optimierung… aus unterschiedlicher Perspektive: technisch, betriebswirtschaftlich, volkswirtschaftlichFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Beispiel: Sektorenkopplung auf dezentraler Ebene Methoden:- Systemsimulationen in TRNSYS - Ergänzt durch experimentelle Untersuchungen und Messungen im Feld- Wandlung: Widerstandsheizung und/oder Wärmepumpe- Betrachtung unterschiedlicher Speicher Erkenntnisse: - Lokale Kopplung von Strom und Wärmeermöglicht Verwertung von Erzeugerspitzen - Zudem Vermeidung von Energiebezug- Speicher sind erforderlich- Dynamisches Betriebsverhalten erfordert komplexe RegelungFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Beispiel: Sektorenkopplung in EnergiewendepfadenMethoden:- Modellierung des deutschen Energiesystems- Betrachtung aller Verbrauchssektoren- Stundengenaue Simulation von 2015-2050- Ziel: Minimierung der TransformationskostenErkenntnisse: - PV und Wind werden dominante Stromerzeuger- Erzeugungsleistung wird vor allem reduziert durch:• hohe Anteile Batterie-Fzg. und Wärmepumpen• erhöhte Gebäudesanierungsrate• beschleunigten Kohleausstieg- Bei über 85% CO2-Reduktion starker Anstieg der notwendigen Erzeugungsleistung und KostenFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Beispiel: Sektorenkopplung im europäischen VerbundMethoden:- Modellierung des europäischen Energiesystems- Sektorenkopplung Strom-Wärme-Verkehr - Ziel: Minimierung der jährlichen Systemkosten- Stundengenaue Optimierung eines Jahres- Bewertung der Systemwechselwirkungen Erkenntnisse: - Netzausbau wesentlich für EE-Integration- Flexibilisierung von KWK-System senkt Abregelung stark- Strom-zu-Wärme v.a. ergänzend zu Windkraft sinnvoll- Industr. Lastmanagement und Wärmespeicher komplementär- Hohe verschiebbare Energiemengen und Kapazitätsreduktion durch flexible Wärmepumpen, Batterie-Fzg. und H2-Elektrolyse FVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Zentrale ErgebnisseSektorenkopplungsoptionen haben unterschiedliche EinsatzgebieteEinsatzpotenziale sind stark von Versorgungs-, Netz- und Bedarfsstruktur abhängigStrom-Wärme- Flexibler Wärmepumpenbetrieb reduziert residuale Spitzenlasten um bis zu 4 GW- Stromgeführter KWK-Betrieb kann Abregelung um über 10 TWh/a reduzieren- Elektrische Boiler in Wärmenetzen können Abregelung um weitere 10 TWh/a senkenStrom-Verkehr- Gesteuertes Laden von Elektrofahrzeugen senkt in Zielszenarien Abregelung um 4-6 TWh/a und residuale Spitzenlasten um ca. 3,5-4,5 GW- Flexible H2-Elektrolyseure bieten langfristig großes Lastmanagementpotenzial (>30 GW)- Erzeugung synthetischer Kraftstoffe zur Nutzung im Luft- und Schiffsverkehr denkbarStrom-Gas- Methanisierung und Erzeugung synthetischer Kraftstoffe bieten Chance der Nutzung bestehender Infrastrukturen, haben aber noch sehr hohe KostenAkzeptanz unterstützt Verbreitung von SystemenFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems Schlussfolgerungen2016 20XXFlexibilisierung KWK und Wärmepumpen durch thermische SpeicherNutzung kurzzeitiger, lokaler EE-Spitzen zur WärmeerzeugungEntkarbonisierung des Verkehrssektors durch synthetisches H2, Gas, … Ausbau KWK und WärmepumpenFlexibles Laden von Elektromobilen Rückverstromung synth. H2, Gas- Flexible Sektorenkopplung ist ein wichtiges Element der Energiewende- Umfangreiche Kostensenkungspotenziale- Reduktion der Abregelung durch erhöhte Nutzung von Erzeugungsspitzen- Reduktion des Bedarfs nach Reservekraftwerken/Speichern durch Flexibilisierung- Nutzung von Strom im Stromsystem muss Vorrang haben- Priorisierung von Netzausbau und intelligenten Steuerungskonzepten- Flexibilisierung der konventionellen Kapazitäten, Reduktion des Must-Run SockelsFVEE – Jahrestagung 2016 : Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems LiteraturGils, H.C.  Balancing of intermittent renewable power generation by demand response and thermal energy storage, Dissertation, UniversitätStuttgart, 2015Henning, H.-M.; Palzer, A.: Energiesystem Deutschland 2050. Eigenveröffentlichung Fraunhofer ISE, November 2013Henning, H.-M.; Palzer, A.: Was kostet die Energiewende? Eigenveröffentlichung Fraunhofer ISE, November 2015Horst, J. et. al. Versorgungssicherheit auf dem Weg zu 60% Erneuerbaren Energien am Stromverbrauch: eine akteursbezogene Analyse, ein Projekt gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2016Horst, J., Tänzer G., Klann, U., et al. EMob.-RLP: Elektromobilität in Energieversorgungsnetzen und dezentralen Energiemanagementsystemen, erstellt im Rahmen des Netzwerks Elektromobilität Rheinland-Pfalz 2013Hüsing, F., Glembin J., Rockendorf, G. Potenziale thermischer Nutzung photovoltaischer Energie, 25. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015Kranz, S., Frick, S.: Efficient cooling energy supply with aquifer thermal energy storages. Applied Energy 109, 321-327, 2013Kranz, S., Blöcher, G., Saadat, A. Improving Aquifer Thermal Energy Storage Efficiency, World Geothermal Congress, 2015Littwin, M., Ohrdes, T., Knoop M., et al. Messtechnische Evaluation einer modernen Strom-Wärme Systemlösung in einem bewohnten Passivhaus, In: Wenzl, H., Kaiser, F.(Hrsg.): Sektorenkopplung der Energiesysteme durch Power to Heat: Dialogplattform des EFZN, Goslar, 14. und 15. Juni 2016. 1. Auflage, Göttingen, Cuvillier Verlag Göttingen, 2016Merten, F., Krüger, C., Nebel, A., et al. Klimapolitischer Beitrag kohlenstoffarmer Energieträger in der dezentralen Stromerzeugung sowie ihre Integration als Beitrag zur Stabilisierung der elektrischen Versorgungssysteme, Projektbericht für das Umweltbundesamt, 2014Nitsch, J., Pregger, T., Naegler, T., et al. Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, Projektbericht für das BMU, 2012.Palzer, A.: Sektorübergreifende Modellierung und Optimierung eines zukünftigen deutschen Energiesystems unter Berücksichtigung von Energieeffizienzmaßnahmen im Gebäudesektor, Dissertation,  Karlsruher Institut für Technologie, 2016Pregger, T., Luca de Tena, D., O’Sullivan, M., et al. Perspektiven von Elektro-/Hybridfahrzeugen in einem Versorgungssystem mit hohem Anteil dezentraler und erneuerbarer Energiequellen, Projektbericht für das BMWi, 2012Scholz, Y., Gils, H.C., Pregger, T., et al. Möglichkeiten und Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender Stromerzeugung, Projektbericht für das BMWi, 2014Tugores, C. R., Francke, H., Cudok, F., et al. Coupled modeling of a district heating system with aquifer thermal energy storage and absorption heat transformer, 11th International Modelica Conference, 2015Vogt, T., Bremen, L. v., Buddeke, M., et al. RESTORE 2050 – Regenerative Stromversorgung & Speicherbedarf im Jahr 2050, Projektabschlussbericht: Ergebnisse und Handlungsempfehlungen, Projektbericht für das BMWi, 2016

Sektorenkopplung als Baustein der Energiewende

Publikationsserver des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie

31Dieser Artikel ist der Frage gewidmet, welchen Bei-trag eine verstärkte Sektorenkopplung zum Gelingen der Energiewende leisten kann. Ausgehend von einer Einführung der Prinzipien und Technologien bietet er Einblicke in die zur Erforschung der Sektorenkopp-lung angewendeten Methoden, sowie ausgewählte Ergebnisse. Hinsichtlich der Energieversorgung versteht man unter Sektorenkopplung im Allgemeinen eine engere Verzahnung und Verknüpfung verschiedener Ener-gieanwendungsbereiche, sowie die Zunahme von Verzweigungs- und Verknüpfungsstellen im Energie-system. Die wesentlichen Anwendungsbereiche der Energie sind dabei die Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität. Eine Kopplung zwischen Strom- und Wärmeversor-gung erzielt man zum einen durch die gemeinsame Erzeugung von Strom und nutzbarer Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), und zum anderen durch den Einsatz von Strom in Wärmepumpen und direkt-elektrischer Wärmeerzeugung. Die Kopplung zwischen Strom- und Verkehrssektor umfasst batterieelektrische Fahrzeuge, die elektro-lytische Gewinnung von Wasserstoff zur Nutzung in Brennstoffzellenfahrzeugen, sowie die Erzeugung synthetischer flüssiger Kohlenwasserstoffe in Fischer-Tropsch-Reaktion zur Nutzung in konventionellen Verbrennungsmotoren. Durch eine Methanisierung von Wasserstoff lässt sich zudem eine Verknüpfung zu den Infrastrukturen des Gasversorgungssystems herstellen. Sowohl die Methanisierung, als auch die Fischer-Tropsch-Reak-tion benötigen CO2, das entweder aus fossilen oder erneuerbaren Kohlenstoffverbindungen gewonnen werden muss. Weitere Sektorenkopplungen, z. B. Strom-Wärme-Strom-Systeme und elektrische Betriebsmittel im Gasnetz werden in diesem Beitrag nicht behandelt.Während bei der Stromerzeugung in Deutschland und darüber hinaus in den letzten Jahren deutliche Steigerungen der Anteile erneuerbarer Energien (EE) erreicht wurden, bleiben der Verkehrs- und Wärme-sektor weiterhin fast vollständig abhängig von fossi-len Brennstoffen. Da die in Deutschland verfügbaren Ressourcen zur energetischen Biomassenutzung bei weitem nicht für eine Versorgung dieser Sektoren ausreichen und die zur Bereitstellung von Wärme vorhandenen Alternativen der Solarthermie und Geothermie auf Temperaturen von maximal 300 °C beschränkt sind, muss zur Senkung der sektoralen Treibhausgasemissionen – neben der Steigerung der Energieeffizienz – mittelfristig eine teilweise Elektrifi-zierung und/oder Umstellung auf regenerative syn-thetische Energieträger erfolgen. Dabei ist es in beiden Fällen wesentlich, dass der direkt oder indirekt genutzte Strom möglichst klima-neutral bereitgestellt wird. Dafür steht in Deutschland in erster Linie die fluktuierende Stromerzeugung aus Sektorenkopplung als Baustein der EnergiewendeAbbildung 1Infrastrukturelle Verknüpfungen zwischen Strom-, Wärme-, Mobilitäts- und GassektorDLRDr. Hans Christian Gils hans-christian.gils@dlr.de DBFZMartin Dotzauermartin.dotzauer@dbfz.deGFZDaniel Ackseldaniel.acksel@gfz-potsdam.deFraunhofer ISEDr. Andreas Palzerandreas.palzer@ise.fraunhofer.deISFHFabian Hüsing huesing@isfh.deMatthias Littwinlittwin@isfh.deIZESJuri Horst horst@izes.deWuppertalProf. Dr. Manfred Fischedickmanfred.fischedick@ wupperinst.orgFrank Mertenfrank.merten@wupperinst.orgFVEE • Themen 2016Schlüsseltechnologien für die Energiewende • Sektorenkopplung32Photovoltaik (PV) und Windenergie zur Verfügung, die je nach Wetterlage, installierter Anlagen leistung und Nachfrage sowohl deutlich unter als auch deut-lich über dem aktuellen Bedarf liegen kann. Eine Deckung der resultierenden Defizite und Nut-zung der Überschüsse kann auf verschiedene Weise erfolgen: •  durch die Verbindung über Stromnetze mit ande-ren Gebieten, in denen noch freie Erzeugungs-kapazität oder ungedeckter Bedarf vorliegen •  durch den Einsatz von Stromspeichern und regel-baren Kraftwerken •  durch eine Anpassung des Strombedarfs Ein Lastmanagement kann dabei bei industriellen Großverbrauchern oder bei verschiedenen Techno-logien der Sektorenkopplung stattfinden. So weisen der Betrieb von Wärmepumpen und das Laden von Batteriefahrzeugen eine gewisse Flexibilität auf, die eine Anpassung an die aktuelle EE-Erzeugung prin-zipiell ermöglicht. Darüber hinaus können auch Wasserstoffelektrolyseure mit einer gewissen Flexi-bilität betrieben und mit Speichern eine Entkopp-lung von Erzeugung und Bedarf ermöglicht werden. Eine Nutzung von Überschüssen kann auch durch eine (zusätzliche) elektrische Wärmeerzeugung in Wärmenetzen/-speichern und der Industrie erfolgen. Weitere Beiträge zur Deckung von Defiziten können durch Wärmespeicher flexibilisierte KWK-Anlagen, sowie die Rückverstromung synthetischer Brenn-stoffe leisten. Die beschriebenen Ausgleichsoptionen zeichnen sich durch unterschiedliche Potenziale und Randbedin-gungen aus, die nicht nur durch technische Faktoren wie Gradienten, Kapazitäten, Verschiebedauern und Wirkungsgrade etc. sondern auch und ggf. viel stär-ker durch nicht-technische Faktoren wie Akzeptanz und Nutzerverhalten bestimmt werden. Wissenschaftliche BewertungDie wissenschaftliche Bewertung der technischen, wirtschaftlichen und realisierbaren Potenziale von Sektorenkopplung muss daher für die verfügbaren technologischen Optionen aus verschiedenen Per-spektiven sowie für unterschiedliche zeitliche und räumliche Skalen erfolgen und erfordert demnach eine Vielzahl von Methoden. Mit Messungen, Feld-tests und detaillierter Simulation können die Poten-ziale verschiedener Sektorenkopplungstechnologien auf Gebäude- und Quartiersebene bewertet werden. So kann beispielsweise der Betrieb elektrischer Heiz-systeme und die Ladesteuerung von Batteriefahrzeu-gen in Kombination mit PV-Erzeugung und Wärme-speicherung untersucht werden. Ergänzend zu solchen Analysen muss die Sektoren-kopplung auch aus Gesamtsystemsicht untersucht werden. Um einen möglichst  abgestimmten Zubau von Stromerzeugungs- und Sektorenkopplungs-technologien zu erreichen, ist zudem eine integrale Betrachtung des gesamten Transformationszeitraums vorteilhaft. Da das Stromnetz einerseits umfangreiche Möglichkeiten des Ausgleichs regionaler Erzeugungs-defizite und -überschüsse bietet, darin andererseits aber auch Einschränkungen unterliegt, muss die Wechselwirkung verschiedener Sektorenkopplungs-optionen in Deutschland auch unter Berücksichti-gung der vorliegenden Netzbeschränkungen und Übertragungskapazitäten ins Ausland erfolgen. Die Anwendung kostenminimierender Ansätze mit stun-dengenauer Optimierung des Systembetriebs erlaubt sowohl die Identifikation günstiger Systemkonfigura-tionen als auch die Bewertung der vielfältigen Wech-selwirkungen im gekoppelten Strom-, Wärme- und Verkehrssystem. Diese und analoge Systemanalysen sollten für mehrere Wetter- und Nachfragejahre durchgeführt werden, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Stromüberschüsse und -defizite und damit auf den Bedarf nach Ausgleichsoptionen und deren Einsatz haben [Vogt et al. 2016, Gils et al. 2016].EinsatzpotenzialeDie vorhandenen Untersuchungen zeigen, dass die heutigen und zukünftigen Einsatzpotenziale der Sek-torenkopplungstechnologien stark von der Versor-gungs-, Netz- und Bedarfsstruktur abhängig sind. Eine lokale Kopplung von Strom und Wärme auf Gebäudeebene ermöglicht durch die Verwertung von Erzeugerspitzen eine Erhöhung des Eigenver-brauchs dezentraler Erzeugung bei gleichzeitiger Senkung des Energiebezugs. Dafür sind jedoch Spei-cher, wie auch eine komplexe Regelung des dyna-mischen Betriebsverhaltens erforderlich [Hüsing et al. 2015, Littwin et al. 2016]. Zusammen mit der Kurzzeitspeicherung ist die Lang-zeitspeicherung von Wärme und Kälte ein zentrales energietechnisches Thema bei der EE-Integration in die Wärmeversorgung. Je nach Wärmenutzung, Untergrundbeschaffenheit und Platzverfügbarkeit kann eine saisonale Speicherung großer Wärme-mengen wirtschaftlich und technologisch effizient entweder in oberirdischen Becken oder im Unter-grund umgesetzt werden [Kranz 2013]. Hinsichtlich der Untergrundwärmespeicherung, z. B. in Aquiferen (ATES) besteht interdispisziplinärer Forschungsbedarf in der Geologie, Biologie, Materialkunde, Verfahrens-technik sowie in der Systemintegration [Kranz 2015, Tugores 2015].Schlüsseltechnologien für die Energiewende • SektorenkopplungFVEE • Themen 201633FVEE • Themen 2016Verschiedene modellgestützte Szenariostudien des gesamten Versorgungssystems unterstreichen, dass sich eine stärkere Verzahnung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor mittel- bis langfristig als volks-wirtschaftlich vorteilhaft erweist [Henning et al. 2013, Scholz et al. 2014, Henning et al. 2015]. Mit steigendem Anteil erneuerbarer Stromerzeugung kann durch Elektrifizierung und synthetische Kraft-stoffe zudem eine weitgehende Reduktion der CO2-Emissionen in allen Sektoren erreicht werden. Ein hoher Anteil an Batteriefahrzeugen mit Ladesteue-rung, eine erhöhte Gebäudesanierungsrate und ein beschleunigter Ausstieg aus der Kohlestrom-erzeugung sind wirkungsvolle Maßnahmen zur Begrenzung des Bedarfs an zusätzlichen EE-Anlagen [Palzer 2016]. Flexible WärmeerzeugungEine Flexibilisierung des Wärmepumpenbetriebs ermöglicht es, den Bedarf nach gesicherter Erzeu-gungsleistung zu begrenzen. Legt man z. B. gemäß [Nitsch et al. 2012] einen Versorgungsanteil von etwa 16 % des Raumwärme- und Warmwasser-bedarfs von Kleinverbrauchern im Jahr 2050 zu Grunde, so beläuft sich diese auf etwa 4 GW. Ähn-lich große Effekte lassen sich durch ein gesteuertes Laden von Batteriefahrzeugen erreichen. In Zielszena-rien für das Jahr 2050 können EE-Abregelungen um 4-6 TWh/a und residuale Spitzenlasten um etwa 3,5-4,5 GW gesenkt werden [Pregger et al. 2012].Eine Umstellung der KWK von einem wärmegeführ-ten auf einen stromgeführten Betrieb – ermöglicht durch konventionelle Spitzenlastkessel und  thermi sche Speicher – erweist sich als wirkungsvolle Maßnahme zur Begünstigung der EE-Integration. Zum einen könnten bereits heute stromgeführte BHKW in nennenswertem Umfang (gut 7 %) und künftig zwischen 40-50 % (2020-2030) zur Minuten-reserve beitragen [Merten et al. 2014]. Zum anderen könnten durch ein Herunterregeln der KWK in Zeiten hoher EE-Einspeisung im Jahr 2050 bis zu 10 TWh an EE-Abregelung vermieden werden. Auch eine Investi-tion in elektrische Heizalternativen in KWK-Systemen erweist sich als wirtschaftlich und ermöglicht die Nutzung von bis zu weiteren 10 TWh von ansonsten abgeregeltem EE-Strom. Eine Flexibilisierung der Wärmenetzversorgung erweist sich vor allem in Szena rien und Regionen mit hohem Winderzeu-gungsanteil als wirtschaftlich [Gils 2015].  Eine synthetische Erzeugung von Wasserstoff, sowie anderen gasförmigen und flüssigen Brennstoffen zur Nutzung im Verkehrssektor, aber auch zur Wärmever-sorgung, und Rückverstromung geht einher mit einem steigenden Strombedarf, der bei heimischer Erzeugung von zusätzlichen Wind- und PV-Anlagen bereitgestellt werden müsste. Folglich müsste zumin-dest die erste Stufe der Erzeugungsroute – die Wasser-stoffelektrolyse – für einen möglichst flexiblen Betrieb ausgelegt sein. Unter Annahme einer Auslegung auf 3000 jährliche Volllaststunden und der Verfügbarkeit eines 12-Stunden-Speichers kann die in Zielszenarien für das Jahr 2050 resultierende zusätzliche EE-Strom-erzeugung nahezu vollständig von den Elektroly-seuren aufgenommen werden [Gils 2015]. Die Ergebnisse verschiedener Studien zeigen zudem eine wesentliche Rolle des Netzausbaus bei der EE-Integration, vor allem in Szenarien mit hoher Wind-kraftnutzung. Eine Stärkung des Netzes erlaubt eine deutlich höhere Nutzung der Flexibilitätspotenziale von Wärmepumpen, Batteriefahrzeugen und Wasser-stoffelektrolyseuren, sowie weiteren Lastmanagements. Synthetische BrennstoffeAus heutiger Sicht sind synthetische Brennstoffe nicht konkurrenzfähig mit konventionellen Brenn-stoffen. Dies ergibt sich aus den hohen Kosten und Wandlungsverlusten der Konversionsanlagen. Um längerfristig eine Dekarbonisierung des Straßengü-ter-, Luft- und Schiffsverkehrs zu realisieren, ist eine Nutzung synthetischer Kraftstoffe jedoch unabding-bar – es sei denn, es werden völlig neue Infrastruk-turen (Oberleitungs-LKW) bzw. Mobilitätskonzepte (luftgestützter Individualverkehr) realisiert. Um die Wandlungsverluste niedrig zu halten, ist dabei eine direkte Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen zu bevorzugen. Die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit hängt von den Lernkurven der Konversionsanlagen, der Preisentwicklung fossiler Brennstoffe und der Wei terentwicklung klimapolitischer Regulierungsmaß-nahmen, wie z. B. dem CO2-Emissionshandel, ab. Für die Bereitstellung gesicherter Erzeugungsleis-tung bietet sich eine Rückverstromung synthetischer Brennstoffe an. Diese ist zum heutigen Zeitpunkt jedoch bei weitem teurer und ineffizienter als die alternativen Speichertechnologien, die Stärkung des transeuropäischen Stromnetzes oder die Nut-zung fossilen Erdgases. Dies ändert sich erst bei sehr hohen Anteilen erneuerbarer Energien an der Strom-erzeugung, bei denen die Rückverstromung von Wasserstoff und/oder Methan zur Überbrückung längerer Windflauten dient. Ein Vorteil der Nutzung von Methan anstatt von Wasserstoff liegt dabei in der Möglichkeit der Nutzung bestehender Infrastruk-turen, vor allem des Erdgasnetzes, die jedoch einher-geht mit einem weiteren Umwandlungsschritt und folglich höheren Energieverlusten. Entscheidungen über die zukünftige Weiterentwick-lung des Energiesystems müssen sich nicht nur auf Schlüsseltechnologien für die Energiewende • Sektorenkopplung34technische und ökonomische Bewertungen stützen, sondern auch die Akzeptanz der Nutzer und der Bevölkerung im Allgemeinen in Betracht ziehen. Eine hohe Akzeptanz wirkt sich messbar positiv auf die Ver breitung und Anwendung neuer Technologien aus. FazitAuf Grundlage der vielfältigen existierenden Studien lässt sich schlussfolgern, dass eine verbesserte Sekto-renkopplung umfangreiche Kostensenkungspoten-ziale für zukünftige, klimafreundliche Energieversor-gungssysteme bietet. Voraussetzung dafür ist die Vermeidung von Pfadabhängigkeiten, die zu Lock-In-Effekten und verlorenen Investitionen führen können. Einsparungen resultieren einerseits aus der umfas-senderen Nutzung der Stromerzeugung aus fluktu-ierenden Quellen, und andererseits aus der Senkung des Bedarfs nach Reservekraftwerken. Wesentlich für die positiven Effekte der Sektorenkopplung ist, dass die Technologien an den Schnittstellen – insbeson-dere Wärmepumpen, Batteriefahrzeuge, Elektroly-seure, KWK-Anlagen – möglichst flexibel betrieben werden können. Dafür ist die Nutzung von Wärme- und Wasserstoffspeichern, sowie die Ladesteuerung von Batteriefahrzeugen essentiell. Im gegenteiligen Fall eines unflexiblen Ausbaus dieser Technologien übersteigen die zusätzlichen Kosten im Stromsystem für Speicher, Netze und regelbare Erzeugung, die bei einer flexiblen Sektorenkopplung anfallenden Kosten. Folglich muss der Flexibilität eine hohe Pri-orität beim Ausbau der Sektorenkopplungstechnolo-gien eingeräumt werden.Obwohl der EE-Versorgungsanteil im Stromsektor in 2015 erst bei etwa einem Drittel lag, wurden bereits signifikante Mengen der potenziellen EE-Erzeugung aufgrund von Netzengpässen abgeregelt. Um diese Abregelung kurzfristig zu reduzieren, muss der Schwerpunkt zunächst auf einem beschleunigten und zielgerichteten Ausbau der Übertragungs- und Verteilnetze, sowie der Flexibilisierung der konven-tionellen Erzeugungskapazitäten liegen. Auch intelli-gente Steuerungskonzepte von flexiblen Lasten kön-nen hier einen Beitrag leisten. Eine erhöhte Flexibilität besonders von Kohlekraftwerken und KWK-Anlagen muss einerseits technisch ermöglicht, und anderer-seits regulatorisch angereizt werden. Maßnahmen zur Vermeidung lokalen „Überschussstroms“ sollten einen klaren Vorrang gegenüber solchen zur Förde-rung von dessen Nutzung haben.Referenzen•  Gils, H.C.: Balancing of intermittent renewable power generation by demand response and thermal energy storage, Dissertation, Universität Stuttgart, 2015•  Gils H.C., Bothor S., Cao, K.-K., et al. Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland, Projektbericht für das Ministe-rium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Würt temberg, 2016 •  Henning, H.-M.; Palzer, A.: Energiesystem Deutschland 2050. Eigenveröffentlichung Fraun-hofer ISE, November 2013•  Henning, H.-M.; Palzer, A.: Was kostet die Energie-wende? Eigenveröffentlichung Fraunhofer ISE, November 2015•  Horst, J. et. al. Versorgungssicherheit auf dem Weg zu 60 % Erneuerbaren Energien am Strom-verbrauch: eine akteursbezogene Analyse, ein Projekt gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2016•  Horst, J., Tänzer G., Klann, U., et al. EMob.-RLP: Elektromobilität in Energieversorgungsnetzen und dezentralen Energiemanagementsystemen, erstellt im Rahmen des Netzwerks Elektromobilität Rheinland-Pfalz 2013•  Hüsing, F., Glembin J., Rockendorf, G. Potenziale thermischer Nutzung photovoltaischer Energie, 25. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015•  Kranz, S., Frick, S.: Efficient cooling energy sup-ply with aquifer thermal energy storages. Applied Energy 109, 321-327, 2013•  Kranz, S., Blöcher, G., Saadat, A. Improving Aqui-fer Thermal Energy Storage Efficiency, World Geo-thermal Congress, 2015•  Littwin, M., Ohrdes, T., Knoop M., et al. Messtech-nische Evaluation einer modernen Strom-Wärme Systemlösung in einem bewohnten Passivhaus, In: Wenzl, H., Kaiser, F. (Hrsg.): Sektorenkopplung der Energiesysteme durch Power to Heat: Dialogplatt-form des EFZN, Goslar, 14. und 15. Juni 2016. 1. Auflage, Göttingen, Cuvillier Verlag  Göttingen, 2016•  Merten, F., Krüger, C., Nebel, A., et al. Klimapoli-tischer Beitrag kohlenstoffarmer Energieträger in der dezentralen Stromerzeugung sowie ihre Inte-gration als Beitrag zur Stabilisierung der elektri-schen Versorgungssysteme, Projektbericht für das Umweltbundesamt, 2014•  Nitsch, J., Pregger, T., Naegler, T., et al. Langfrist-szenarien und Strategien für den Ausbau der erneu erbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, Projektbericht für das BMU, 2012.Schlüsseltechnologien für die Energiewende • SektorenkopplungFVEE • Themen 201635•  Palzer, A.: Sektorübergreifende Modellierung und Optimierung eines zukünftigen deutschen Ener-giesystems unter Berücksichtigung von Energie-effizienzmaßnahmen im Gebäudesektor, Disserta-tion, Karlsruher Institut für Technologie, 2016•  Pregger, T., Luca de Tena, D., O’Sullivan, M., et al. Perspektiven von Elektro-/Hybridfahrzeugen in einem Versorgungssystem mit hohem Anteil dezentraler und erneuerbarer Energiequellen, Projektbericht für das BMWi, 2012•  Scholz, Y., Gils, H.C., Pregger, T., et al. Möglichkei-ten und Grenzen des Lastausgleichs durch Energie-speicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender Stromerzeu-gung, Projektbericht für das BMWi, 2014•  Tugores, C. R., Francke, H., Cudok, F., et al. Cou-pled modeling of a district heating system with aquifer thermal energy storage and absorption heat transformer, 11th International Modelica Conference, 2015•  Vogt, T., Bremen, L. v., Buddeke, M., et al. RESTORE 2050 – Regenerative Stromversorgung & Speicherbedarf im Jahr 2050, Projektabschluss-bericht: Ergebnisse und Handlungsempfehlun-gen, Projektbericht für das BMWi, 2016FVEE • Themen 2016Schlüsseltechnologien für die Energiewende • Sektorenkopplung

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Sektorenkopplung als Baustein der Energiewende

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