Grafik Energiewelt Sektorenkopplung

Was ist eigent­lich … Sektoren­kopplung?

Die drei Sektoren der Energieversorgung Strom, Wärme und Mobilität wachsen immer mehr zusammen. Strom treibt auf einmal Autos an und Heizungen liefern auch Strom. Warum diese Entwicklung Sektorenkopplung genannt wird und für das Gelingen der Energiewende wichtig ist, erklären wir im folgenden Artikel.

Die Energiewende ist ein historisch einmaliger Prozess. Noch nie zuvor wurde ein Energiesystem derart vollständig umgekrempelt. Dieser Prozess der Dekarbonisierung von Energieerzeugung und -verbrauch ist allerdings notwendig, um den Klimawandel abzuwenden, der auf Grund des von Menschen verursachten CO2-Ausstoßes unsere Lebensgrundlagen negativ beeinflusst. Wir stehen dabei vor einer enormen Herausforderung. Mit der Größe der Aufgabe wachsen allerdings auch die menschlichen Fähigkeiten, diese technisch zu bewältigen. Es bedarf innovativer Denkansätze, einer neuen Sicht auf die Herausforderungen, ja, auch neuer Begriffe für neue Konzepte. Ein solcher Begriff, mit dem das neue Denken über das Energiesystem immer öfter beschrieben wird, lautet Sektorenkopplung. Im Allgemeinen wird darunter die „Verzahnung von energierelevanten Sektoren“1 verstanden, also Stromsektor, Wärmesektor und Mobilitätssektor.

Die drei Sektoren der Energiewelt

Das Energiesystem besteht im Wesentlichen aus drei Sektoren:

  • Stromsektor 
  • Wärmesektor 
  • Mobilitätssektor 

Bisher haben diese Sektoren größtenteils unabhängig voneinander existiert. Elektrizität wird konventionell aus Uran, Kohle, Gas und Öl in großen Kraftwerken erzeugt, dann über Leitungsnetze verteilt und von privaten oder gewerblichen Verbrauchern genutzt. Wärme hingegen wird in Millionen Heizungsanlagen in privaten Immobilien oder gewerblich genutzten Gebäuden produziert und vor Ort verbraucht. Mobilität zuletzt findet im Wesentlichen mit Hilfe von Fahrzeugen statt. Allein in Deutschland bewegen sich etwa 47 Millionen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren auf den Straßen.

In den letzten Jahrzehnten gab es bereits einige Ansätze, die drei Sektoren 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 allerdings 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 aber gelingt, die Sektoren 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, in denen feste Brennstoffe verfeuert werden. Dabei handelt es sich also um Beistellöfen oder Komfortkamine. 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 heizen und erzeugen gleichzeitig 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 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 Erzeugung von Wetter und Sonnenstunden abhängig sind.

Elektroautos: Effiziente Energienutzung und als Stromspeicher einsetzbar

Wie erwähnt, entsteht die Energie, die der Verkehr braucht, bisher zum Großteil durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe Benzin und Diesel. Daher verursacht der Verkehrssektor einen wesentlichen Teil des kritischen CO2-Ausstoßes. Das könnte geändert werden, 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 ursprünglich im geförderten Erdöl befindet. 75 % gehen in der gesamten Umwandlungs- und Nutzungskette verloren – in der Raffinerie, im Motor usw. Elektrische Pkw, so genannte batterieelektrische Fahrzeuge, die mit Strom betrieben werden, der zu 100 % erneuerbar ist, 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 stromerzeugende Sektor in Zukunft den Mobilitätssektor mit Energie versorgt, wäre eine erhebliche Verringerung klimaschädlicher Abgase möglich. Aber reicht der Strom denn überhaupt, um diesen Sektor derart umzukrempeln? Eine kleine Überschlagsrechnung für den Individualverkehr mit Pkw illustriert, warum diese Frage bejaht werden kann.

  • Anzahl der Pkw in Deutschland: 47 Millionen2
  • Durchschnittliche Fahrleistung pro Jahr und Fahrzeug: ca 10.000 km3
  • Durchschnittlicher Verbrauch von Strom pro 100 km: 18 kWh4
  • Daraus ergibt sich ein 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 dann Strom, wenn PV-Anlagen oder Windkrafträder wetterbedingt keinen erzeugen. Elektroautos verfügen über Stromspeicher und sogar ganz schön große. 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. So könnte Strom zum Beispiel in Salzwasser gespeichert werden. Ein weiteres Konzept beschäftigt sich 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 auch 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

Modell Sektorenkopplung
Diese Grafik der Agentur für Erneuerbare Energien zeigt die Verknüpfung der verschiedenen Energiesektoren.

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 doch vielleicht 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 die Energienutzung optimieren wollen und dabei die Energie umwandeln. Power-to-Heat, Power-to-Liquids usw. – als Oberbegriff: Power-to-X. Sektorenkopplung findet hier also nicht mehr statt, indem man einen Sektor auf die Nutzung von Strom umstellt. Vielmehr kommen andere Energieträger ins Spiel, die besser gespeichert und von dem verbrauchenden Sektor 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.

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

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