Sektorkopplung

Unendlich viel Energie für alle Zwecke

Spricht man vom Energiemix, denkt man meist einfach an eine einfache Mischung verschiedener angebotener Energieformen. Für erneuerbare Energie geht der Begriff des Energiemixes jedoch viel weiter. Während bisher der Energiemix nur auf den Strommarkt bezogen wurde, ist diese Basis bei Nutzung erneuerbarer Energien zu klein: Der neue Energiemix umfasst nicht nur alle wirtschaftlich sinnvollen erneuerbaren Energiequellen, sondern auch alle Energiemärkte: Strom, Treibstoff und Wärme sowie Rohstoffe und damit alle Sektoren.

Wasserstoff

Der Austausch von Energie über die Sektorengrenzen hinaus wird Sektorkopplung genannt. Es geht dabei um die Nutzung der Energie ausserhalb des klassischen Stromsektors im Mobilitätsbereich, im Wärme- und Industriesektor. Besonderes interessant ist die Sektorkopplung, wenn sie zu einer zeitlichen Verschiebung der Nutzung erneuerbarer Energien gegenüber ihrer Erzeugung führt. Dies wird durch Speicher, z.B. auch über die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur oder durch Wasserstofftankstellen, möglich.

Es gibt klassische Beispiele für Sektorkopplung: Auf der Verbraucherseite ist hier die Nachtspeicherheizung zu nennen, also die Einspeicherung von nachts nicht benötigtem Strom aus Kern- oder Kohlekraftwerken in Wärmespeicher. Auf der Erzeugerseite ist dies die Kraft-Wärme-Kopplung, wo die Abwärme der Stromerzeugung zur Gewinnung von Warmwasser für Heizzwecke genutzt wird. Auch Elektrolokomotiven und elektrisch betriebene Triebfahrzeuge sind klassische Fälle der Sektorkopplung.

Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien und dem Wegfall von Kohle, Öl und Erdgas als Energieträger reduziert sich die Auswahl an Energieträgern für die einzelnen Sektoren7) deutlich – und zwar auf Wasserstoff, Warmwasser und Akkumulatoren. Alle können aus erneuerbar gewonnenem Strom erzeugt bzw. geladen werden. Dies ist der Kern der Sektorkopplung auf Basis erneuerbarer Energien.

Sektorkopplung ist überwiegend mit der Erzeugung speicherbarer Energieträger verbunden.

Zwar ist die direkte Nutzung erneuerbaren Stromes über Oberleitungen oder die Fahrdrähte der Bahn auch eine Art Sektorkopplung, jedoch trägt sie mangels Speicher nicht zur Stabilisierung des Energiesystems bei und kann nur begrenzt ausgebaut werden.

Wie sieht Sektorkopplung künftig aus? Windkraft- und Solaranlagen erzeugen bei hohem Wind- bzw. Sonnenangebot eine sehr hohe Leistung: 75% ihrer Energie produzieren diese Anlagen in nur 25% ihrer Betriebszeit. Die längerfristige Speicherung dieser Energiemengen ist am besten in Wasserstoff möglich. Der Wasserstoff wird dann von Fahrzeugen, in der Industrie als Energieträger oder zum Heizen eingesetzt werden. So steht erneuerbar gewonnener Strom gleichzeitig als Kraftstoff und Energieträger bereit und wird dem Stromsektor entzogen. Die Abwärme der Wasserstofferzeugung kann ihrerseits zu Heizzwecken genutzt werden. Das alles zusammen ist der Kern der Sektorkopplung.

Erst diese Kombination ermöglicht einen optimalen und verlustarmen Energiemix. Würde man nur den Strommarkt allein betrachten, so müsste man große Mengen Windstrom abschalten und bliebe andererseits weiterhin vom Erdöl abhängig. Erst wenn der Treibstoff- und Wärmebedarf ebenfalls aus Windkraft und Solarenergie gedeckt wird, ergibt sich eine sinnvolle und bezahlbare Lösung, die auch alle nötigen Speicher umfasst. So erhält man jederzeit genug Nachfrage und Stabilität, um die Angebotsschwankungen erneuerbarer Quellen auszugleichen. Und nur so wird eine vollständige Energieversorgung mit Erneuerbarer Energie möglich.

Gleichzeitig bietet die Sektorkopplung erhebliche Chancen, vorhandene Infrastrukturen weiter zu nutzen. An erster Stelle ist hier das Gasnetz zu nennen, welche Wasserstoff transportieren kann. Aber auch Lokomotiven können mit Brennstoffzellen ausgestattet werden, so daß das Bahnnetz nicht nur vollständig erneuerbar betrieben werden kann, sondern auch zum Transport von Wasserstoff in speziellen Waggons dienen kann.

Weiter ermöglicht die Sektorkopplung die für die zweite Phase der Energiewende dringend benötigten Speicher günstig zu errichten, indem Speicher welche ohnehin gebaut werden müssen, genutzt werden. Das gilt insbesondere für die Wasserstoffspeicher an allen zu errichtenden Tankstellen, wo grosse Energiemengen über längere Zeit gelagert werden können.

Durch die Gewinnung speicherbarer Energieträger nimmt die Sektorkopplung die Fluktuationen aus dem Stromnetz und schafft so die erforderliche Systemstabilität. Hier eine Visualisierung dazu…

Der Einsatz weiterer Energiespeicher für erneuerbare Energien wird zwar viel diskutiert, ist aber wenig bzw. nur in geringem Umfang sinnvoll:

  • Die Verarbeitung von Wasserstoff zu Methan als Energieträger ist nur für den Rohstoffsektor sinnvoll, denn Methan läßt sich nur mit ca. 30% Wirkungsgrad im Fahrzeug gegenüber Wasserstoff über die Brennstoffzelle (60%). Damit benötigt der Methanpfad die doppelte Energiemenge gegenüber dem H2-Pfad verbunden mit entsprechend höheren Kosten.
  • Für die Speicherung von Wärme ist Warmwasser die kostengünstige und umweltfreundlichste Lösung.

Grundlegend aber bleibt, daß die Sektorkopplung die Grundlage für die Nutzung erneuerbarer Energien in allen Lebensbereichen darstellt und gleichzeitig die nötigen Flexibilitäten im Stromnetz ermöglicht.

Daher sind viele Definitionen der Sektorkopplung mit der Dekarbonisierung verbunden, wie z.B. die des BDEW: „Sektorkopplung die energietechnische und energiewirtschaftliche Verknüpfung von Strom, Wärme, Mobilität und Rohstoffen sowie deren Infrastrukturen mit dem Ziel einer Dekarbonisierung bei gleichzeitiger Flexibilisierung der Energienutzung in Industrie, Haushalt, GHD und Verkehr unter den Prämissen Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Versorgungssicherheit.“

Sektorkopplung beginnt an der Energiequelle

Die Zwischenschaltung des öffentlichen Netzes für die Sektorkopplung ist überwiegend kontraproduktiv, denn die Sektorkopplung soll dazu dienen, die Fluktuationen aus dem Netz zu nehmen – dazu muß die Kraftstoff- oder Wärmeerzeugung vor der Netzeinspeisung erfolgen. Nur so können erneuerbarer Erzeuger tatsächlich zu Kraftwerken werden, die fluktuationsfrei nach Fahrplan arbeiten.

Gerade für die Kopplung von Windkraftanlagen und Wasserstofferzeugern oder grossen Wärmespeichern ist nichts weiter einforderlich als eine einfache kurze nicht redundante Kabelverbindung.

Das Erzeugungsprofil der versorgenden EE-Anlage spielt bei dieser direkten Kopplung keine Rolle mehr. Es ist dann Aufgabe des Stromerzeugers, seine Erzeugeranlagen optimal auf die Kraftstoff- und Wärmeerzeuger abzustimmen. So kann auch der bestmögliche netzdienliche Betrieb erreicht werden ohne damit die Netze zu belasten.

Insbesondere die Einspeisung in Gasnetze ermöglicht dann, Netzausbau zu vermeiden und statt dessen für den Energietransport und zusätzlich für die Energiespeicherung die Gasnetze zu verwenden.

Sofern die Erzeugung von Kraftstoffen oder Wärme aus Strom über öffentliche Netze überhaupt zulässig sein sollte, wäre vorzuschreiben, die der Bezieher des Stromes nachweisen muß, daß er alle damit verbundenen Netzkosten selbst trägt (eine Umlage dieser Netzkosten auf alle Stromkunden also nicht stattfindet). Weiterhin müßte er nachweisen, daß die von ihm verbrauchte Energie vollständig aus erneuerbaren Quellen stammt.

Energiebedarf und CO2-Vermeidung der verschiedenen Sektorkopplungen im Vergleich zur Netzeinspeisung

Bis heute wurde diejenige elektrische Energie, die in Erneuerbaren Erzeugungsanlagen hergestellt wird, fast ausschließlich im Stromsektor verwandt. Während Anfangs die CO2-Vermeidung hier am größten war, ändert sich dies in der 2. Phase der Energiewende. Aufgrund des immer höheren Anteils erneuerbarer Energie im Netz, wird der Effekt der CO2-Vermeidung bei anderen Technologien allmählich größer.

So ist der Einsatz erneuerbaren Stromes in der Elektro- und Brennstoffzellen-Mobilität heute bereits aus CO2-Sicht effektiver als die Netzeinspeisung, da hier pro kWh höhere CO2-Einsparungen mit dem gleichen Einsatz von Energie realisiert werden. Die alte Logik „Einspeisen spart viel mehr CO2“ ist nicht mehr haltbar.

Ebenso gilt dies für den Ersatz fossil befeuerter Kraft-Wärme-Kopplung durch Windstromheizung und Einspeisung der Wärmemengen in Wärmenetze. Das größte Potenzial hierfür weist die Nutzung von Windenergiespitzen in großen Wärmespeichern auf. Diese so nutzbaren 3-5% des erzeugten Windstromes, für welche ein Netzausbau mit Sicherheit unwirtschaftlich wäre, umfassen heute bereits 3 – 5 TWh.

Das Potenzial der bereits von der Bundesregierung beschlossenen Maßnahmen zum Bau von 2 GW Power-to-Heat-Anlagen bei grossen KWK-Anlagen beträgt dagegen ausgehen von maximal 500 Benutzungsstunden im Jahr nur 1 TWh.

Lösungen zur Sektorkopplung und ihre CO2-Vermeidung