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Überblick über Szenarien zur Sektorkopplung 2030 / 2050

Erstellt am: 02.10.2018 | Stand des Wissens: 02.10.2018
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Zur Thematik der Sektorkopplung wurden in jüngster Zeit diverse technisch-systemische Studien durchgeführt, die mit unterschiedlich detaillierten Modellen, verschiedenartigen Zielsetzungen bei der CO2-Minderung und unterschiedlichen Zeithorizonten arbeiten. Übersichten und Meta-Analysen zu aktuellen Szenarien-Rechnungen finden sich etwa in "Flexibilität durch Kopplung von Strom, Wärme & Verkehr" der Agentur für Erneuerbare Energien - AEE [AEE16], dem Gutachten "Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor" des Sachverständigenrats für Umweltfragen - SRU [SRU17] und im Working Paper "Sektorkopplung Definition, Chancen und Herausforderungen" von Wietschel et al. [Wiet18].
Szenarien_Vergleich_sektorale_Stromnachfrage.pngTab. 1: Sektorbezogene Stromnachfrage und Dekarbonisierung in verschiedenen Szenarien zur Sektorkopplung für Deutschland (Quelle: [SRU17, S. 46]) (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Die weit überwiegende Zahl der Studien belegt, dass eine nahezu vollständige Dekarbonisierung der Wirtschaft in Deutschland bis 2050 technisch und ökonomisch machbar ist, vgl. z.B. [SRU17, S. 45]. Allerdings werden große Anstrengungen zur Zielerreichung notwendig. Trend- und Referenzszenarien zeigen, dass die bisherigen Maßnahmen der Bundesregierung nicht ausreichen, um die gesetzten Minderungsziele bis 2050 zu erreichen, siehe etwa Tabelle 1. So liegen die entsprechenden Szenarien bereits getroffener oder zu erwartender Maßnahmen von Prognos / Ewi / GWS [PEG14], Öko-Institut und Fraunhofer ISI [ÖIS15] sowie Fraunhofer ISI et. al [ISI17] und [ISI17a] nur bei Minderungen der CO2-Emissionen zwischen 54% und 64% statt der minimal angestrebten 80%igen Reduktion von Treibhausgasen gegenüber 1990.
Gleichzeitig werden z.T. große Unterschiede zwischen den einzelnen Szenarien zu künftigen sektoralen und gesamten Nachfragemengen nach Strom deutlich. Um die allgemeine Unsicherheit künftige Entwicklungen betreffend zumindest zum Teil aufzufangen, werden in den meisten Untersuchungen mehrere Szenarien analysiert und miteinander (bzw. einem Referenzszenario) verglichen.
Die Unterschiede in den Ergebnissen der Zielszenarien der Studien resultieren vor allem aus:
  • Unterschieden im Zeithorizont: Je weiter der Betrachtungszeitpunkt in der Zukunft liegt, desto größer werden systematisch die Unsicherheiten, aber auch die Gestaltungsmöglichkeiten für das Energiesystem der Zukunft; die potentiellen technologischen und sektoralen Transformationspfade aus heutiger Sicht werden flexibler.
  • Unterschieden im Minderungsziel an Treibhausgasemissionen um 80%, 95% oder 100% (im Jahr 2050) gegenüber 1990: Dieses ist bei Zielszenarien in der Regel exogen vorgegeben. Die Höhe des Minderungsziels beeinflusst die im Energiesystem maximal verbleibende Menge an Brenn- und Kraftstoffen fossiler Herkunft. Daraus können extreme Unterschiede in den Transformationspfaden und korrespondierenden Mengen zwischen sonst ähnlichen Szenarien mit 80% und deutlich höheren Minderungen wie 95% oder 100% resultieren, weil bei Letzteren wegen kaum zu vermeidender Restemissionen aus Landwirtschaft und Industrie die vollständige Ausschöpfung der technisch verfügbaren Reduktionspotentiale und damit eine sehr weitgehende Dekarbonisierung aller anderen Sektoren nötig wird.
  • Unterschieden in der Gewichtung technisch möglicher Umwandlungspfade. Oft werden mehrere Szenarien mit variierenden Anteilen alternativer Umwandlungstechnologien untersucht, die unterschiedliche spezifische Wirkungsgrade aufweisen, was sich auf die Gesamtstrommenge des Szenarios auswirkt. Je mehr direkte Elektrifizierung von Prozessen unterstellt wird, desto geringer sind benötigte Strommengen und Endenergiebedarf.
  • Unterschieden in den Annahmen über den Einsatz von CO2-Abscheidungstechnologien (Carbon Capture Sequestration, CCS) für industrielle Punktquellen, die fossile Energieträger nutzen und die nur unter erheblichem Aufwand auf Strom oder andere erneuerbare Energiequellen umgestellt werden können. Das hat Einfluss auf das verbleibende Emissionsbudget fossiler Herkunft.
  • Unterschieden in den Annahmen zu künftigen Energieträger- und aus dem Emissionshandel resultierenden CO2-Preisen: Diese beeinflussen das relative Preisgefüge (z.B. zwischen fossilen und erneuerbaren) Energiequellen und die absolute Höhe der Nachfrage nach Energie. Auch die künftig angenommene Belastung mit Steuern und Abgaben spielt in diesem Zusammenhang eine Rolle.
  • Unterschiedlichen Prognosen zu spezifischen technisch-ökonomischen Energieeinsparungspotentialen, die wiederum auf die Entwicklung der Endenergienachfragemengen in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr wirken, vgl. [SRU17, S. 45]. Dazu gehören auch unterschiedliche Annahmen zu Innovationen und Kostenentwicklungen bei Schlüsseltechnologien wie etwa Elektrolyseuren zur Herstellung von Wasserstoff oder der Gewinnung von CO2 aus der Luft (Direct Capture) für die Methanherstellung.
  • Unterschieden in der betrachteten räumlichen Abgrenzung des Energiesystems. So ist es von Bedeutung, ob internationale Verkehre in die Betrachtung einbezogen werden und in welchem Umfang ein Import von Kraftstoffen und Energieträgern aus erneuerbaren Quellen möglich ist.
Abbildung 1 zeigt die große Bandbreite der vorliegenden Schätzungen zum künftigen Bruttostromverbrauch.
Wietschel_et_al_2018-Projektionen_Szenarien_Vergleich.pngAbb. 1: Projektionen des Bruttostromverbrauchs in aktuellen Energiesystemstudien (Quelle: [Wiet18, S. 42], auf Basis von [Nits16], [Nits17], [ÖIS15], [DFII12], [Quas16], [Ener17a], [IWES15], [UBA14d], [ESYS17] sowie [HePa15]; fehlende Werte linear interpoliert.) (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Insbesondere in den Szenarien nach [UBA14d] "THGND" und [Quas16] "worst case" übersteigt der Bruttostromverbrauch die künftig in Deutschland zu erzeugenden Mengen an regenerativem Strom deutlich, dessen wirtschaftlich nutzbares Potential langfristig etwa auf 1.000 TWh abgeschätzt wird. Importe von Strom und / oder Brenn- und Kraftstoffen aus erneuerbaren Energiequellen werden hier in großem Umfang nötig. Dies hat bei [UBA14d] den Hintergrund, dass hier eine vollständige Dekarbonisierung aller Sektoren unter Einsatz von PtX-Technologien angenommen wird. Die Erzeugung von regenerativen Brenn- und Kraftstoffen aus Strom ist jedoch mit erheblichen Umwandlungsverlusten verbunden. Abweichend von der Methodik anderer Studien und der offiziellen Bilanzierung erfasst die Studie zudem auch den deutschen Anteil am internationalen Luft- und Seeverkehr. Darüber hinaus erwähnt [UBA14d] zwar die Möglichkeit zum Einsatz von Oberleitungs-Lkw, diese CO2-Minderungsoption wird im Gegensatz zu jüngeren Studien aber nicht untersucht. Aufgrund dieser Faktoren liegt der Strombedarf 2050 weit über den Mengen der meisten anderen Studien. Es wird deutlich, wie stark die künftige Auswahl von möglichst energieeffizienten Kopplungspfaden die Höhe der Stromnachfrage und damit das gesamte Energiesystem prägen wird.

Publikationen

Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Ökonomische Herausforderungen der Sektorkopplung (Stand des Wissens: 06.10.2018)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?490049
Literatur
[AEE16] Kirchner, A., Koziel, S., Mayer, N., Kunz, C. Metaanalyse: Flexibilität durch Kopplung von Strom, Wärme & Verkehr, 2016/04
[DFII12] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. , Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Ingenieurbüro für neue Energien (IFNE) (Hrsg.) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, 2012/03/29
[Ener17a] enervis energy advisors GmbH (Hrsg.) Klimaschutz durch Sektorenkopplung: Optionen, Szenarien, Kosten, 2017/03
[ESYS17] Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, aca-tech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften (Hrsg.) Sektorkopplung - Optionen für die nächste Phase der Energiewende, 2017/11
[HePa15] Henning, Hans-Martin, Palzer, Andreas What will the energy transformation cost? Pathways for transforming the German energy system by 2050, 2015/11
[ISI17] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Technische Universität Wien, Consentec GmbH, M-Five, TEP Energy GmbH (Hrsg.) Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Modul 0: Zentrale Ergebnisse und Schlussfolgerungen, 2017/09
[ISI17a] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Technische Universität Wien, Consentec GmbH, M-Five, TEP Energy GmbH (Hrsg.) Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Modul 10.a: Reduktion der Treibhausgasemissionen Deutschlands um 95% bis 2050., 2017/05
[IWES15] Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stiftung Umweltenergierecht (Hrsg.) Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr. Analyse der Interaktion zwischen den Sektoren Strom, Wärme/Kälte und Verkehr in Deutschland, 2015/09
[Nits16] Nitsch, Joachim Die Energiewende nach COP 21 - Aktuelle Szenarien der deutschen Energieversorgung, 2016/02/17
[Nits17] Nitsch, Joachim Erfolgreiche Energiewende nur mit verbesserter Energieeffizienz und einem klimagerechten Energiemarkt - Aktuelle Szenarien 2017 der deutschen Energieversorgung, 2017/05/12
[ÖIS15] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , Öko-Institut e.V. Institut für angewandte Ökologie (Hrsg.) Klimaschutzszenario 2050, 2015/12/18
[PEG14] Prognos, EWI - Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln, GWS - Gesellschaft für Wirtschaftliche Strukturforschung (Hrsg.) Entwicklung der Energiemärkte - Energiereferenzprognose, 2014/06
[Quas16] Quaschning, Volker Sektorkopplung durch die Energiewende: Anforderungen an den Ausbau erneuerbarer Energien zum Erreichen der Pariser Klimaschutzziele unter Berücksichtigung der Sektorkopplung, 2016/06/20
[SRU17] Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.) Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor, 2017/11
[UBA14d] Umweltbundesamt (Hrsg.) Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050, 2014/04
[Wiet18] Wietschel, M., Plötz, P. , Pfluger, B. , Klobasa, M. , Eßer, A. , Haendel, M., Müller-Kirchenbauer, J., Kochems, J., Hermann, L., Grosse, B., Nacken, L. / , Küster, M., Pacem, J., Naumann, D., Kost, C., Kohrs, R., Fahl, U., Schäfer-Stradowsky, S., Timmermann, D., Albert, D. Sektorkopplung - Definition, Chancen und Herausforderungen, 2018
Glossar
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
Szenarien Ein Szenario ist ein Bild der Zukunft, das sich aus einer bestimmten Kombination von relevanten Einflussfaktoren und Rahmenbedingungen entwickelt. Das grundsätzliche Anliegen von Szenarien besteht darin, verschiedene Handlungsoptionen zu verdeutlichen und ihre Folgewirkungen transparent zu machen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?489760

Gedruckt am Montag, 30. November 2020 08:38:06