Technologien

Auf dieser Seite werden die verschiedenen Lösungen zur Sektorkopplung bezüglich Potenzial und CO2-Minderung in der Reihenfolge ihrer Kosteneffizienz verglichen.

Windspitzenheizung

Zuschaltbare Lasten an Windkraftanlagen

Die Erzeugung und Speicherung von Wärme (Power-to-Heat) in kurzer Entfernung zu Windkraftanlagen ist die effizienteste Lösung, um grosse Mengen sonst abzuregelnden Windstromes zu nutzen. Sie spart 0,16 – 0,30 kg CO2 pro kWh Windstromeinsatz bei einem Potenzial von ca. 18 Mio. Tonnen CO2 – ca. 2% der heutigen Emissionen. Die Kosten sind, da der Windstrom sonst ungenutzt bliebe, negativ, d.h. es werden im Mittel 70 €/CO2 Kosten eingespart. Hier geht es zu den Einzelheiten…

Zuschaltbare Lasten im öffentlichen Netz

Die Erzeugung von Wärme bei Netzengpässen in grossen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) ist bereits im EEG, § 13 Abs. 6a EnWG geregelt. Dabei wird die Stromerzeugung der KWK-Anlage heruntergefahren und gleichzeitig ein Strombedarf in gleicher Grössenordnung erzeugt. Diese Lösung ist eine Teilmenge der Windspitzenheizung solange die Energie noch über die vorhandenen öffentlichen Netze transporiert werden kann. Ein Netzausbau hierfür aufgrund der äussert niedrigen Volllaststunden nicht sinnvoll.

Wasserstoffmobilität (Brennstoffzellenfahrzeuge)

Fahrzeuge mit Brennstoffzellen, betrieben mit Wasserstoff aus Windenergie, sind die zweitwichtigste Lösung. Brennstoffzellen-PKW vermeiden 0,32 – 0,45 kg CO2 pro kWh Windstromeinsatz bei einem Potenzial von jährlich 80 Mio. CO2 – ca. 10% der heutigen Emissionen von 800 Tonnen CO2.

Ab unter 100 €/kW Kosten für Brennstoffzellen sind die Kosten für die CO2-Reduktion Null. Bei gleichen Kosten von Brennstoffzellenfahrzeugen wie für Verbrenner ermöglicht die Wasserstofftechnologien eine Kostenersparniss von bis zu 166 €/t CO2, d.h. es kommt nicht zu CO2-Vermeidungskosten. Details…

Elektromobilität

Die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom für Bahnen und Elektrofahrzeuge ist wesentlicher Bestandteil der Sektorkopplung. Allerdings sind dem Ausbau der Elektromobiliät Grenzen gesetzt, denn es muss sichergestellt sein, dass der Strom dafür aus erneuerbaren Quellen kommt. Da diese manchmal überreichlich und manchmal auch längere Zeit nicht ausreichend zur Verfügung stehen, genügen Akkumulatoren nicht. Um Energieangebot und Bedarf für Mobilität und Heizen in Übereinstimmung zu bringen, sind preiswerte stoffliche Langfrist-Energiespeicher wie Wasserstoff erforderlich.

E-Fahrzeuge am Netz

Elektrofahrzeuge mit einem üblichen Verbrauch von 0,2 kWh/km, geladen mit Strom aus dem Netz, emittieren beim heutigen Strommix von 0,53 kg CO2/kWh etwa soviel CO2 wie ein 5-Liter-Auto: 0,53 kg CO2/kWh x 0,2 kWh/km = 0,11 kg CO2/km.

Ihre CO2-Vermeidung gegenüber einem umweltfreundlichen Neufahrzeug ist daher nahe Null. Ihre CO2-Vermeidungskosten daher extrem hoch (mehrere 100 €/t CO2).

E-Fahrzeuge ausschließlich mit erneuerbarem Strom

Sofern die Ladung ausschließlich direkt mit Wind- oder Solarstrom erfolgt, ist die CO2-Emission Null und die Vermeidung entspricht gegenüber einem 5-Liter-Auto 0,11 kg CO2/km.

Da aufgrund des hier mit 5 ct/kWh anzusetzenden sehr niedrigen Strompreises die Kosten pro gefahrenem Kilometer sogar unter denen eines 5-Liter-Autos liegen, ergeben sich hier negative CO2-Vermeidungskosten von bis zu 250 €/t CO2 im Vergleich zum 12-Liter-Auto.

Die Ladung ausschliesslich direkt mit erneuerbarem Strom verlangt allerdings erhebliche Nutzungseinschränkungen des Fahrzeuges.

Elektrischen Eisenbahnen

Elektrisch betriebene Eisenbahnen benötigen im Mittel wie ein Elektroauto etwa 0,2 kWh/km Strom und sind damit vollständig mit Elektroautos vergleichbar.

Dieser Verbrauchswert könnte zwar deutlich niedriger sein, wenn IC und ICE nicht mit 160 bis 300 km/h sondern nur mit 100 bis 120 km/h unterwegs wären – allerdings   liegt genau hier der Vorteil der Bahn gegenüber dem Elektroauto: in der Geschwindigkeit.

Wärmepumpen

Der Einsatz von Wärmepumpen in Verbindung mit Wärmespeichern. Auch hier muss sichergestellt sein, dass nur erneuerbarer Strom zum Einsatz kommt. Die Nutzung von Energiespitzen bleibt Power-to-Heat an Windkraftanlagen vorbehalten, da Wärmepumpen mit Spitzenenergie nicht ausgelastet werden können.

Verbrennungsmotoren mit erneuerbarem Kraftstoff

Es scheint naheliegend, die vorhandenen bewährten Verbrennungsmotoren unserer Autos mit erneuerbaren Treibstoffen zu befeuern. Allerdings liegt der Wirkungsgrad dieser Fahrzeuge bei 20% gegenüber 60% eines Brennstoffzellenautos oder 80% eines E-Autos. Daraus folgt, daß für eine solche Lösung z.B. 3-4 mal mehr Windkraftanlagen erforderlich wären.

Für Deutschland wären ca. 6.000 Windkraftanlagen mit einer Jahresproduktion von 20 GWh erforderlich, um die 120 TWh Strom für Elektro- und Wasserstoffmobilität zu erzeugen.

Um die Energie für die Methangewinnung aus Windkraft für Verbrennungsmotore zu gewinnen (was technisch machbar ist), wären aber zusätzliche ca. 20.000 Windkraftanlagen erforderlich – die aber niemand in der Nähe seiner Wohnung gern sehen möchte. Allein deshalb ist es sehr unwahrscheinlich, daß die Methanisierung im Rahmen der Sektorkopplung jemals erfolgreich sein wird.

Nutzung von Windgas über das Erdgasnetz

1 kWh Windenergie erzeugt 0,66 kWh H2 und 0,2 kWh Nutzwärme. Erstere ersetzen 0,66 kWh Erdgas und damit 0,132 kg CO2. Zweitere ersetzen Öl oder Gas und damit ca. 0,05 kg CO2. Zusammen ergibt das 0,182 kg CO2.

Das Gesamtpotenzial ist derzeit durch die 2-Vol.%-Grenze der H2-Einspeisung determiniert, was einem Energieanteil von 2/3% entspricht. Bei ca. 800 Mrd. kWh Erdgasverbrauch sind so max. 5,6 TWh H2 einspeisbar, was 8 TWh Strom entspricht. Die CO2-Minderung ergibt sich zu 1,2 Mio. t.

Eine Verwendung des eingespeisten Wasserstoffs in Brennstoffzellenfahrzeugen ist solange unmöglich, wie noch Methan im Erdgasnetz enthalten ist. Zwar könnten Erdgasfahrzeuge auch Wasserstoff mitnutzen, aber durch ihren schlechten Wirkungsgrad ergibt das keinen wirtschaftlichen Sinn. Daher ist die Gasnetzeinspeisung auf lange Sicht auf den Wärmemarkt beschränkt.
Die Einspeisung von Wasserstoff in Gasnetze wird derzeit durch e.on in Falkenhagen und durch ENERTRAG aus dem Hybridkraftwerk bei Prenzlau (Greenpeace Windgas) praktiziert.

Stromdirektheizung über das öffentliche Netz

Heizen mit Windstrom über das öffentliche Netz ist nur mit Wärmepumpen sinvoll.

Stromdirektheizung direkt aus dem Windfeld

Eine Stromdirektheizung mit erneuerbarem Strom ist nur in Ausnahmefällen in kleinen Orten sinnvoll, wo der Bau eines Nahwärmenetzes teurer wäre, als die Verlegung von Heizkabeln in alle Häuser incl. der 2-Wochen-Wärme-Speicher in jedem Gebäude.
Warum werden 2-Wochen-Speicher benötigt? Das Verheizen erneuerbaren Stromes ist nur sinnvoll wenn kein anderer Verbraucher mehr Strom benötigt. Daher können solche Heizanlagen max. 500 Stunden pro Jahr betrieben werden. Im Unterschied zur Nachtspeicherheizung sind daher nicht Tages sondern mindestens 2-Wochen-Speicher für die Wärme erforderlich.
Warum benötigt man ein extra Heizstromnetz? Die elektrische Anschlußleistung pro Haushalt mit 10.000 – 30.000 kWh p.a. Jahreswärmebedarf ergibt sich bei 500 Stunden Heizstromlieferung zu 20 – 60 kW. Diese Leistung liegt deutlich oberhalb der Auslegung von Netzen der öffentlichen Versorgung, welche pro Haushalt von bis zu 20 kW ausgehen aber bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,4 – d.h. die maximale Leistung, die alle Haushalte gleichzeitig abnehmen dürfen beträgt max. 12 kW, was für die Verheizung von Energiespitzen aus Wind und Sonne nicht ausreicht.
Windspeicheröfen können also nur in Ausnahmefällen Nachtspeicheröfen ersetzen.

Ersatz von fossiler KWK-Produktion durch erneuerbaren Strom über das öffentliche Netz

1 kWh erneuerbaren Stromes ersetzt 1 kWh Fernwärme und je nach Wirkungsgrad ca. 2,5 kWh Brennstoff und damit bei Erdgas 0,5 kg CO2 und bei Braunkohle ca. 1 kg CO2.
Die vom Gesetzgeber mit dem EEG 2017 vorgegebenen 2 GW ergeben bei max. 500 Benutzungsstunden ein Potenzial von 1 TWh und entsprechend eine CO2-Ersparnis von 0,5 – 0,9 Mio. t.

Industrie

Die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in der Industrie steht noch vollkommen am Anfang. Die derzeitigen Hindernisse verhindern hier eine Vielzahl denkbarer CO2-Minderungsmöglichkeiten. Lediglich in Inselnetzen könnten Anwendungen wirtschaftlich werden, z.B. in der Stahlherstellung mit Windgas.

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