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Sektorenkopplung

Unter Sektorkopplung (auch Sektorenkopplung oder Integrated Energy genannt) wird die gemeinsame Betrachtung und Vernetzung der drei Sektoren der Energiewirtschaft verstanden, die gekoppelt, also gemeinsam optimiert werden sollen. Bisher (Stand 2016) werden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung und Verkehr weitgehend unabhängig voneinander betrachtet. Sektorgekoppelte Energiesysteme werden häufig als Hybridnetze bezeichnet. Da die Sektorenkopplung Synergieeffekte bei der Integration von hohen Anteilen erneuerbarer Energien ermöglicht, wird sie als Schlüsselkonzept bei der Energiewende und dem Aufbau von Energiesystemen mit 100 % erneuerbaren Energien betrachtet.

Es besteht ein weitgehender Konsens, dass die Sektorkopplung notwendig ist, um die Energiewende umzusetzen und die Klimaschutzziele zu erfüllen.

Elektrifizierung 'electricity only'

Drei Viertel der in einer Delphi-Studie befragten Experten glauben, dass im Jahr 2040 eine „All Electric Society“ Realität sein wird, also eine Gesellschaft in der die Energiewirtschaft sich zu einer Strom-Wirtschaft gewandelt haben wird. 

Michael Sterner und Ingo Stadler definieren die Sektorenkopplung als Verbindung der "Sektoren Strom, Wärme, Verkehr" sowie des "nicht-energetischen Verbrauch fossiler Rohstoffe (v. a. Chemie) über Energiespeicher und Energiewandler." Durch diese Kopplung der unterschiedlichen Sektoren wird es anschließend ermöglicht "vorwiegend erneuerbarer Strom als Primärenergie zur Dekarbonisierung der anderen Sektoren" zu nutzen. Ausgangspunkt und Kern der Sektorkopplung ist der Stromsektor, der Energie aus regenerativen Quellen für alle anderen Verbrauchssektoren liefert.

Diese 'electricity only' -Vortstellung von Sektorenkopplung wird mehrheitlich nicht geteilt, schon weil der Strombedarf unrealistisch groß wäre. Naturwissenschaftlich gesehen ist auch die Wandlung von (hochwertigem) Strom in (geringwertige) Wärme eine Verschwendung. Dies sieht man schon daran, dass Strom zu 100% in Wärme, Wärme aber nur zu einem geringeren Prozentsatz (je nach Temperaturniveau)  in Strom gewandelt werden kann.

Verbindungselemente zwischen den Sektoren

Als Verbindungselemente zwischen den Sektoren gibt es eine Vielzahl von verfügbaren Techniken, deren Zusammenwirken noch zu gestalten ist. Folgende Kopplungselemente, häufig unter dem Überbegriff „Power-to-x“ zusammengefasst, werden derzeit erwogen:

  • Power-to-gas: Erzeugung von Energiegasen aus erneuerbarem (Überschuss)-Strom(synthetische Gase) durch die Elektrolyse (Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) und ggf. anschließender Methanisierung (Herstellung von erneuerbarem Erdgas durch die Anlage von Wasserstoff- an Kohlenstoffatome) als zentrales Kopplungselement zwischen Strom- und Gasinfrastruktur mit dem Ziel, zusätzliche Flexibilitäten zu schaffen. Beim Verbrennen des durch Power-to-gas gewonnenen Methans ensteht zunächst genau so viel CO2 wie bei der Verbrennung von Erdgas, jedoch wurde bei der Merhanisierung eine ähnlich große Menge von CO2 gebraucht, was den Gesamtprozess CO2- neutral macht . Es bleibt offen, wo dieses CO2 zur Methanisierung her kommt. Es könnte z.B. durch 'capturing' bei der Verbrennung des Gases rückgewonnen werden. Der ganze Prozess ist technisch und wirtschaftlich unausgereift.
  • Power-to-heat: Einsatz von überschüssigen Strommengen im Wärmemarkt durch die Verwendung von regelbaren Heizelementen in lokalen Wärmespeichern, in Fernwärmesystemen oder die Zuschaltung von Wärmepumpen.
  • Power-to-Mobility: Einsatz von Überschussstrom zum Laden von Elektrofahrzeugen, das theoretisch auch ein Rückspeisen des Batterieinhalts ins Netz ermöglichen würde. Alternative Nutzung von aus Power-to-Gas-Prozessen erzeugtem Methan für CNG und LNG-Mobilität bzw. von Wasserstoff für die Brennstoffzellenmobilität.
  • Power-to-valuables: Einsatz von Überschussstrom in der Industrie zur gezielten Erzeugung von chemischen Produkten, Druckluft, Schmelzen von Metallen, Oberflächen-Veredelungsprozesse, etc..
  • Power-to-liquids: Verfahren zur Herstellung von Treibstoffen aus Überschussstrom, über den Weg der Elektrolyse/Wasserstoffdarstellung zu verwertbaren Grundchemikalien (Methanol) oder Treibstoffen aus synthetischen Kohlenwasserstoffen (Dimethylester, Kerosin etc.).

Zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus Gas sind bereits folgende Technologien verfügbar:

  • Kraft-Wärme-Kopplung: Einsatz des in Erdgasspeichern zwischengespeicherten Gases aus Power-to-gas-Anlagen zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme.
  • Brennstoffzellenkraftwerk: Eine auf der Basis einer Brennstoffzelle betriebene größere Stromerzeugung, die den Wasserstoff aus einer Power-to-gas Anlage nach der Zwischenspeicherung zum Ausgleich von Minderproduktionen aus erneuerbarer Energieerzeugung mit hoher Effizienz zurück in Strom verwandelt.
  • Biomethan-Aufbereitung: Einspeisung von aufbereitetem Biogas ins Erdgasnetz.

Optimierungsoptionen

Für die gemeinsame Optimierung der Sektoren gibt es eine Reihe von Lösungs-Elementen:

  • Laden von (z. B. Auto-) Batterien in Zeiten des Überschusses von Sonnen- bzw. Windenergie.
  • Nutzung von (z. B. Auto-) Batterien zur Überbrückung von Stromengpässen.
  • power-to-gas Anlagen können nahe den Erzeugungsschwerpunkten erneuerbaren Stroms gebaut werden, der Gastransport erfolgt unproblematisch und vermindert deutlich die Anlage neuer Stromtrassen.
  • Durch die Power-to-liquid-Techniken kann die Energie-Optimierung länderübergreifend erfolgen, da klimaneutral hergestellte Treibstoffe preiswert transportiert werden können. Diese können in schwer umzustellen Bereichen (zum Beispiel im Flugverkehr, Schifffahrt, Schwerlasttransport) eingesetzt werden.
  • Anlagen zur gekoppelten Erzeugung von Kraft und Wärme (KWK) können einerseits mit erneuerbarem Gas betrieben werden, andererseits Strom zur Ergänzung erzeugen (Residuallast-Erzeugung)
  • Mit Batterie- und Gasspeichern könnten Schwankungen in Stromerzeugung bzw. -verbrauch ausgeglichen werden.

Bedeutung für die Geothermie

Auch die Geothermie ist an einer gesamtheitlichen Betrachtung aller drei Sektoren interessiert, steht jedoch dem 'electricity only'-Gedanken skeptisch gegenüber. Es bleibt zu bezweifeln, ob ausreichend erneuerbarer Strom für alle drei Sektoren akzeptiert erzeugt werden kann. Im Zuge der Realisierbarkeit der Energiewende sind daher alle Möglichkeiten, erneuerbare Energien in den Sektoren Wärme und Mobilität direkt (also ohne power-to-) einzusetzen zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für den Wärmemarkt, der ja die Hälfte des Energiemarktes ausmacht. Punkte hierzu sind:

  • Durch den Einsatz von Erdwärmesonden mit elektisch betriebenen Wärmepumpen reduziert sich der Strombedarf für Heizung um 80% gegüber 'Tauchsiederlösungen'.
  • Tiefengeothermie als Wärmequelle für Fernwärmenetze reduziert den Strombedarf um 70% gegenüber 'Tauchsiederlösungen'. Hierbei wird eingerechnet, dass es sich um 'gepumpte Systeme' handelt, bei denen die Pumpen elektrisch betrieben werden.
  • Wärmepumpen können wegen der günstigen Speichermöglichkeit für Wärme betrieben werden, wenn erneuerbarer Strom kostengünstig zur Verfügung steht (demand side management).
  • Wärmespeicher, auch saisonale Wärmespeicher, und hier insbesondere Speicher im Untergrund oder in Aquiferen sind bis zu 1000-mal kostengünstiger als Stromspeicher jeglicher Art. Es ist also unsinnig Strom zu speichern, der später in Wärme umgewandelt wird.

Geothermie kann also in vielfacher Form zu einer Sektorenkopplung beitragen, die intelligenter ist als der unrealistische 'electricity-only' Gedanke.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Sektorkopplung