Was ist eigent­lich … Sektoren­kopplung?

Inhaltsverzeichnis

• Die 3 Sektoren der Energiewelt
• Heizen und dabei Strom erzeugen
• Elektroautos: Effiziente Energienutzung und als Stromspeicher einsetzbar
• Funktionale Stromspeicher
• Smart Grids: Den Energieverbrauch steuern in Abhängigkeit von der Erzeugung
• Power-to-X
• Fazit: Sektorenkopplung ist machbar

Die Energiewende ist ein historisch einmaliger Prozess. Noch nie zuvor wurde ein Energiesystem derart umgekrempelt. Doch dieser Prozess der Dekarbonisierung von Energieerzeugung und -verbrauch ist notwendig, um den Klimawandel abzuwenden.

Wir stehen dabei vor einer enormen Aufgabe: Es bedarf innovativer Denkansätze, einer neuen Sicht auf die Herausforderungen, neuer Begriffe für neue Konzepte. Ein solcher Begriff ist die Sektorenkopplung. Im Allgemeinen beschreibt sie die „Verzahnung von energierelevanten Sektoren“¹, also von Stromsektor, Wärmesektor und Verkehrssektor.

Die 3 Sektoren der Energiewelt

Das Energiesystem besteht im Wesentlichen aus 3 Sektoren:

• Stromsektor 
• Wärmesektor 
• Verkehrsssektor 

Bisher haben diese Energiesektoren größtenteils unabhängig voneinander existiert. Strom wurde konventionell aus Uran, Kohle, Gas und Öl in großen Kraftwerken erzeugt, dann über Leitungsnetze verteilt und von privaten oder gewerblichen Verbrauchern genutzt.

Wärme hingegen wurde in Millionen Heizungsanlagen in privaten Immobilien oder gewerblich genutzten Gebäuden produziert und vor Ort verbraucht. Verkehr bzw. Mobilität zuletzt findet im Wesentlichen mit Fahrzeugen statt. Allein in Deutschland bewegen sich etwa 45 Millionen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren auf den Straßen.

In den letzten Jahrzehnten gab es bereits einige Ansätze, die 3 Energiesektoren zu verbinden. So wurden reine Stromkraftwerke zu Heizkraftwerken umgebaut. Diese produzieren sowohl Strom als auch gleichzeitig Wärme und versorgen Kommunen und Städte in der Nähe des Kraftwerks durch ein Fernwärmenetz.

Das bringt erhebliche Effizienzgewinne, weil der Wirkungsgrad steigt. Während in einem konventionellen Kohlekraftwerk nur rund 46 % der Kohleenergie in Stromenergie umgewandelt wird, steigt der Wirkungsgrad durch die Kopplung mit Fernwärme auf über 60 %. 

Ein anderes Beispiel für bereits umgesetzte Sektorenkopplung ist die Elektrifizierung der Eisenbahn. Heute fließen etwa 3 % des gesamten Stromverbrauchs in den Schienenverkehr, der nur noch auf Nebenstrecken mit Dieselloks und auf einer Handvoll von historischen Strecken mit Kohle und Dampf betrieben wird.

Der Begriff der Sektorenkopplung geht weit über solche Ansätze hinaus. Wir können Probleme mit der Energieversorgung nicht mit Lösungen meistern, die sich nur auf einen einzigen Sektor beziehen. Dazu sind die Herausforderungen viel zu komplex. Wenn es gelingt, die Energiesektoren zu koppeln, kann die Energiewende nicht nur funktionieren, sondern sie kann sogar ein echter Erfolg werden und langfristig die Energiekosten für alle senken.

Um die Problematik besser zu verstehen, im Folgenden ein paar konkrete Beispiele, wie die bisher getrennten Sektoren des Energiemarktes gekoppelt werden können und welche Vorteile das bringt.

Heizen und dabei Strom erzeugen

In Deutschland erzeugen etwa 32 Millionen Feuerungsanlagen Wärme und beheizen Wohnräume. Etwa ein Drittel besteht aus Einzelraumfeuerungsanlagen, also Beistellöfen oder Komfortkamine, in denen feste Brennstoffe verfeuert werden. Zwei Drittel bestehen aus den klassischen Zentralheizungen, wovon wiederum etwa die Hälfte mit Gas betrieben wird.

Diese Anlagen haben, wenn sie neueren Datums sind, bereits Wirkungsgrade von über 100 %. Das gilt auch für neuere Öl-Heizungen. Die eingesetzte Energie wird also schon vollständig in Wärmeenergie umgesetzt. Trotzdem können Heizungen noch mehr als nur Wärme zu erzeugen.

Blockheizkraftwerke oder auch Brennstoffzellenheizungen erzeugen gleichzeitig Wärme und Strom. Sie erfüllen damit eine wichtige Funktion in der neuen Energiewelt. Denn Heizungen laufen oft dann, wenn die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen eher gering ist, nämlich morgens und abends. Zu diesen Tageszeiten ist die Erzeugung aus Photovoltaikanlagen unterdurchschnittlich.

Außerdem wird vorwiegend in den Jahreszeiten geheizt, in denen die Sonne weniger scheint oder weniger Wind weht. Heizungsanlagen, die auch Strom erzeugen, können also Lücken füllen, die sich aus dem Umstand ergeben, dass große Teile der erneuerbaren Stromerzeugung von Wetter und Sonnenstunden abhängt.

Ein Beispiel für Sektorenkopplung sind Wärmepumpen, die Strom aus erneuerbaren Energiequellen nutzen, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Diese Methode kann dazu beitragen, den Einsatz von fossilen Brennstoffen zur Wärmeerzeugung zu reduzieren und den Anteil von erneuerbaren Energien zu erhöhen. Wärmepumpen nutzen elektrische Energie sehr effizient, weil sie über eine hohe Jahresarbeitszahl verfügen.

Elektroautos: Effiziente Energienutzung und als Stromspeicher einsetzbar

Einen wesentlichen Teil des kritischen CO₂-Ausstoßes verursacht der Verkehrssektor. Denn die Energie, die der Verkehr braucht, entsteht zum Großteil durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe Benzin und Diesel.

Das könnte sich ändern, indem der Verkehr elektrifiziert und mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben wird. Dann verbessert sich auch der Wirkungsgrad der eingesetzten Energie wesentlich. Pkw mit Verbrennungsmotoren nutzen nur etwa 25 % der Energie, die sich im geförderten Erdöl befindet. 75 % gehen in der gesamten Umwandlungs- und Nutzungskette verloren: in der Raffinerie, im Motor usw.

Elektroautos, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden, erreichen einen Wirkungsgrad von 75 %. Der Elektromotor in Verbindung mit einem Akku ist daher die mit Abstand effizienteste Antriebsart. E-Autos nutzen die eingesetzte Energie am besten.

Wenn also der Stromsektor in Zukunft den Verkehrsektor mit Energie versorgt, wäre eine erhebliche Verringerung klimaschädlicher Abgase möglich.

Aber reicht der Strom überhaupt, um diesen Energiesektor derart umzukrempeln? Eine kleine Überschlagsrechnung für den Individualverkehr mit Pkw illustriert, warum diese Frage bejaht werden kann.

• Anzahl der Pkw in Deutschland: 49 Millionen²
• durchschnittliche Fahrleistung pro Jahr und Fahrzeug: ca 10.000 km³
• durchschnittlicher Verbrauch von Strom pro 100 km: 18 kWh⁴
• ergibt einen Strombedarf pro Jahr: 84,6 Mrd. kWh (= 84,6 TWh)
• Im Vergleich dazu der gesamte Stromverbrauch in Deutschland pro Jahr: ca 600 TWh

Theoretisch könnte man also mit etwa 14 % des aktuellen Stromverbrauchs alle Pkw betreiben. Das scheint machbar, vor allem weil die Umsetzung nach und nach in den nächsten Jahrzehnten erfolgen wird.

Die Umstellung auf Elektroautos könnte einen weiteren Vorteil bieten. Da die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sich zeitlich nicht komplett mit dem Stromverbrauch in Einklang bringen lässt, benötigt man Stromspeicher. Diese liefern Strom, wenn PV-Anlagen oder Windkrafträder wetterbedingt keinen erzeugen.

Elektroautos verfügen über große Stromspeicher. Mit einer Menge an Fahrzeugen im Millionenbereich kommt eine erhebliche Speicherkapazität zusammen. Diese Kapazitäten ließen sich zumindest kurzfristig nutzen, um das Stromnetz zu stabilisieren.

Ein Beispiel-Szenario: Der Fahrzeughalter verbindet sein E-Auto über einen Ladepunkt mit dem Stromnetz. Dann teilt er dem Energieversorger via App seinen Mobilitätsbedarf für die nächsten Tage mit. Nach entsprechender Freigabe kann der Energieversorger nun den Akku des Elektroautos für seine Zwecke nutzen – unter Beachtung des angekündigten Mobilitätsbedarfs.

Der E-Auto-Besitzer erhält hierfür eine finanzielle Entschädigung, verdient also Geld mit seinem Auto, das er nicht nutzt, weil er zum Beispiel 3 Wochen im Urlaub ist.

Funktionale Stromspeicher

Die Energiewelt der Zukunft braucht Energiespeicher. Pumpspeicherwerke und Akkus dienen schon lange als Stromspeicher, auch im großen Maßstab. Containergroße Lithium-Ionen-Akkus laden sich in Zeiten hoher Stromerzeugung, bei viel Sonne oder starkem Wind. Nachts geben die Akkus den Strom wieder ab.

Das ist aber nur eine von vielen technologischen Möglichkeiten, um Energie zu speichern. Weitere Speicherkonzepte befinden sich bereits in der Entwicklung. Ein Konzept beschäftigt sich beispielsweise mit der hydraulischen Anhebung von großen Massen zur Speicherung von Strom, so genannte Lageenergiespeicher.

Weitere Idee: In der Lebensmittelindustrie benötigen Brauereien, Molkereien oder Kühlhäuser viel Kälte. Das verbraucht viel Strom. Nun forscht das Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden an einer Technik, überschüssigen Strom als Vakuum-Flüssigeis zu speichern. So wird Kälte auf Vorrat erzeugt und zeitversetzt genutzt.

Diese sogenannten funktionalen Stromspeicher nutzen Technologien, die eng mit den jeweiligen Anwendungen von Energie verknüpft sind. Ein Sektor, der bisher nur Energie verbraucht hat, wird nun zu einem, der auch Energie speichert.

Smart Grids: Den Energieverbrauch steuern in Abhängigkeit von der Erzeugung

Sektorenkopplung bedeutet Sektorenverbindung. Der eine muss wissen, was der andere braucht bzw. leisten kann. Dieser Informationsaustausch besteht rein physikalisch mit dem Netz aus Stromleitungen schon heute.

Allerdings gibt es darüber noch keinen wirklichen Informationsaustausch. Dieses Netz transportiert nur Energie von A nach B, wobei B seinen Bedarf über physikalische Notwendigkeiten kommuniziert. B zieht unmittelbar den Strom.

Es wäre aber für die Steuerung des Energiesystems viel sinnvoller, wenn A weiß, was B in Zukunft benötigt. Oder B weiß, was A gerade liefern kann. Denn dann könnte B seinen Bedarf vielleicht anpassen. Energiewirtschaftlich nennt man das Lastverschiebung.

Das Anschalten des Wäschetrockners, das Laden eines Elektroautos, die Nutzung einer Industriemaschine – das alles könnte verschoben werden, wenn die Bereitstellung von Strom gerade schwierig ist.

Natürlich soll die Last nur dann verschoben werden, wenn keine Nachteile für B entstehen. Dazu wäre es sinnvoll, das Netz für den Informationsaustausch intelligenter zu machen. Das ist das sogenannte Smart Grid. Zahlreiche Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten daran, dieses aufzubauen und durch Informationen, die über das Internet übertragen werden, zu ergänzen.

Power-to-X

Was macht man mit dem ganzen Strom, wenn die Sonne im Sommer vom Himmel knallt und der Wind an der Küste bläst? Sicher, dann füllen sich die Stromspeicher. Aber die sind teuer und vielleicht könnte man mit diesem ganzen Strom andere Sektoren mit Energie versorgen.

Vielleicht könnte man den Strom in andere Energieträger umwandeln, die sich besser für spezielle Anwendungen in anderen Sektoren eignen.

Der Schwerlastverkehr zum Beispiel benötigt große Energiemengen, die in großen Akkus gespeichert werden müssten, die wiederum viel wiegen. Tendenziell ein schwieriges Konzept. Da wäre es sinnvoll, Stromenergie in Wasserstoff umzuwandeln.

Dieser Wasserstoff könnte die Lkw mit Energie versorgen. Das ist technisch mit einer Brennstoffzelle kein Problem, benötigt aber die dreifache Energie wie ein Elektroauto mit Akku. Trotzdem: Besser die große Menge an Strom verwenden, als sie ungenutzt in die Erde abzuleiten. Der Wasserstoff ließe sich in Lkws besser mitführen und CO₂-frei wäre das auch. Dieses Konzept der Energieumwandlung und -speicherung nennt man Power-to-Gas.

Es gibt immer mehr Forschungsprojekte, die unter dem Oberbegriff Power-to-X die Energienutzung optimieren wollen und dabei Energie einfach umwandeln. Power-to-Heat, Power-to-Liquids usw. Sektorenkopplung findet hier also nicht mehr statt, indem andere Energieträger ins Spiel kommen, die besser gespeichert und von dem verbrauchenden Energiesektor effizienter genutzt werden können.

Fazit: Sektorenkopplung ist machbar

Sektorenkopplung findet bereits auf vielen Ebenen statt. Technologisch lassen sich viele dieser Ideen umsetzen. Das macht Sektorenkopplung äußerst vielfältig.

Die eine große Idee, mit der man alle Herausforderungen der Energiewende auf einmal löst, gibt es allerdings nicht. Vielmehr brauchen wir zahlreiche, ganz unterschiedliche und auf das jeweilige Nutzungsszenario angepasste Anwendungen.

Die Komplexität des Energiesystems steigt dadurch enorm. Das muss nicht zum Nachteil sein, sondern kann die Versorgungssicherheit sogar steigern. Wenn ein System versagt, kann ein anderes diese Lücke füllen. Sektorenkopplung ist die Zukunft der Energiewirtschaft und ein machbares Szenario.

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Belege
⁽¹⁾ Fraunhofer ISI, Sektorkopplung – Definition, Chancen und Herausforderungen, 2018 
⁽²⁾ Statista: Pkw-Bestand in Deutschland
⁽³⁾ www.mein-autolexikon.de
⁽⁴⁾ ADAC: Test durchschnittliche Fahrleistung Elektroautos