Zukünftige Energie- und Industriesysteme
Smart Energy in Haushalten : Technologien, Geschäftsmodelle, Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit
(2021)
Die Digitalisierung des deutschen Energiesystems wird als eine wichtige Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende gesehen. Insbesondere im Bereich der Elektrizitätsversorgung kann Digitalisierung die Flexibilitätspotenziale, z. B. für das Verteilnetz, steigern. Dafür sollen klassische Energietechnologien (der Erzeugung, Speicherung und Verbraucher) mit Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) oder "Internet-of-Things"-Technologien (IoT) zusammenspielen. Auf diese Weise wandelt sich das Energieversorgungssystem beispielsweise im Elektrizitätsbereich von einem unidirektionalen Netz zu einem bidirektionalen Netzwerk, ein sogenanntes Smart Grid.
Sowohl Energie als auch energiebezogene Informationen können zwischen Verbrauchern, Netzbetreibern sowie zwischen Energieerzeugungsanlagen und Energiespeichern ausgetauscht werden. In diesem Zusammenhang entwickeln Unternehmen innovative smarte Produkte und Dienstleistungen für private Haushalte, z. B. Smart Home Systeme, Energiemanagementsysteme, Smart Meter, intelligente Beleuchtungssysteme oder sie bieten digitale Dienstleistungen wie z. B. die datenbasierte Fernwartung von Photovoltaik-Anlagen an.
Der Oberbürgermeister der Stadt Wuppertal hat in seinem 100-Tage-Programm das Ziel ausgegeben, die Stadt bis 2035 auf den Weg Richtung Klimaneutralität zu bringen. Das Wuppertal Institut hat in einer Sondierungsstudie die zentralen Handlungsfelder zusammengestellt und hebt hervor, welche Herausforderungen damit verbunden sind. Deutlich wird: Wuppertal alleine kann das nicht schaffen. Es braucht dazu veränderte Rahmenbedingungen auch auf Landes- und Bundesebene, die dieses ambitionierte Ziel unterstützen. Doch bis dahin kann auch die Stadt selbst einiges anstoßen.
Die vorangegangenen Analysen im RESTORE2050 Projekt, die im Rahmen dieses Berichts weitergeführt werden, haben gezeigt, dass der Einsatz von Wasserstoffspeichern zur Residuallastglättung nur bedingt geeignet ist. Zwar bietet die Technologie ein hohes technisches Potenzial hinsichtlich der Speicherkapazitäten und der installierbaren elektrischen Leistungen. Jedoch führt ein systemdienlicher Einsatz, bei dem positive Residuallastspitzen u. a. durch Anheben geringer Residuallasten gesenkt werden, wie er in den Modellrechnungen des RESTORE2050 Projektes implementiert ist, zu einer Absenkung der Deckungsraten von erneuerbaren Energien (EE) im europäischen Stromsystem. Dies ist dadurch begründet, dass die Umwandlung und Speicherung von EE-Strom als Wasserstoff (H2) im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hohe Wandlungsverluste sowohl bei der H2-Erzeugung als auch bei der Rückverstromung aufweisen. Daher wird im Rahmen dieses Aufstockungsprojektes (RESTORE2050_plus) untersucht, welchen Beitrag alternative Einsatzstrategien der H2-Speicher zur Minimierung der negativen Residuallast, also potenzielle erneuerbaren Stromüberschüssen, und gleichzeitig zur Erhöhung der EE- Versorgungsanteile leisten kann.
Das übergeordnete Ziel des Forschungs-Projektes RESTORE 2050 (Regenerative Stromversorgung & Speicherbedarf in 2050; Förderkennzeichen 03SF0439) war es, wissenschaftlich belastbare Handlungsempfehlungen für die Transformation des deutschen Stromsystems im europäischen Kontext zu geben. Dafür wurden auf Basis der zukünftig prognostizierten Entwicklung von Stromangebot und -nachfrage innerhalb des ENTSO-E Netzverbundes für den Zeithorizont des Jahres 2050 sowie mittels örtlich und zeitlich hoch aufgelöster meteorologischer Zeitreihen die Themenkomplexe (1) Nationale Ausbaustrategien für erneuerbare Energien, (2) Übertragungsnetzausbau und (3) Alternativmaßnahmen wie Lastmanagement, (4) Bedeutung des EE-Stromaustauschs mit Drittstaaten und (5) die Rolle von Stromspeichern auf Übertragungsnetzebene analysiert. Die aus den Untersuchungsergebnissen abgeleitenden Handlungsempfehlungen stellen wichtige Beiträge für die weitere Integration von erneuerbaren Energien dar und geben Hinweise für den Aufbau einer leistungsfähigen europäischen Infrastruktur.
Nicht erst seit dem Klimaabkommen von Paris, welches im Kern eine Begrenzung der menschengemachten globalen Erwärmung auf deutlich unter 2 °C gegenüber vorindustriellen Werten vorsieht, ist offensichtlich, dass eine umfassende Transformation der meisten Wirtschaftssektoren erforderlich ist, um die gesteckten Ziele zu erreichen. Die Transformation erfolgt dabei zum einen durch Steigerung der Energieeffizienz und zum anderen durch eine Dekarbonisierung der bestehenden Prozesse, bei denen heute noch ein hoher Anteil fossiler Energien eingesetzt wird - dies kann gelingen durch eine weitreichende Sektorkopplung, Flexibilisierung und Elektrifizierung bei vollständiger Nutzung Erneuerbarer Energien.
Letzteres stellt auch die Energieversorgung in Rheinland-Pfalz vor einen Paradigmenwechsel: Die schrittweise Transformation eines von konventionellen Energieträgern geprägten Versorgungsystems zu einem durch Erneuerbare Energien dominierten System. Als eines der ersten Bundesländer hat sich Rheinland-Pfalz bereits im Jahr 2014 ein eigenes Klimaschutzgesetz gegeben sowie erstmals im Jahr 2015 ein Landesklimaschutzkonzept (LKSK) erarbeitet, welches energiepolitische Leitplanken für den angestoßenen Transformationsprozess setzt. Die vorliegende Studie im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz beleuchtet die Auswirkungen eines weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien in Rheinland-Pfalz und der damit verbundenen Flexibilisierung und Dekarbonisierung unterschiedlicher Anwendungsfelder, insbesondere in der Industrie aber auch im ÖPNV und zentraler Wärmeversorgung.
Die Stadt Mannheim kann spätestens bis zum Jahr 2050 vollständig klimaneutral werden und damit einen maßgeblichen Beitrag zur Umsetzung der Ziele des Pariser Klimaabkommens auf kommunaler Ebene leisten. Das ist das zentrale Ergebnis der vorliegenden "Energierahmenstudie Mannheim", die das Energieunternehmen MVV in Abstimmung mit der Stadt beim Wuppertal Institut in Auftrag gegeben hat. Die Studie untersucht und beschreibt die Handlungsmöglichkeiten und Umsetzungsvoraussetzungen in den Bereichen Strom, Wärme, Verkehr und Industrie.
Wie können Menschen befähigt werden, ihr Lebensumfeld entsprechend den eigenen Bedürfnissen und Wertvorstellungen zu gestalten? Das war die zugrunde liegende Fragestellung des Dortmunder Projekts "Psychologisches und kommunales Empowerment durch Partizipation im nachhaltigen Stadtumbau" (DoNaPart).
Im Zentrum des Projekts stand die Initiierung eines urbanen Reallabors in dem Soziale Stadt Programmgebiet Westerfilde/Bodelschwingh, innerhalb dessen ein nachhaltiger Transformationsprozess in den Bereichen Energie, Mobilität und Konsum entworfen und durchgeführt wurde.
Die Grundstoffindustrie ist ein Pfeiler des Wohlstands in Deutschland, sie garantiert Wertschöpfung und sorgt für über 550.000 hochwertige Arbeitsplätze. Im Ausland steht Made in Germany für höchste Qualität und Innovationsdynamik. Aber: Trotz Effizienzsteigerungen sind die Emissionen der Industrie in den letzten Jahren nicht gefallen und durch die nationalen und internationalen Klimaschutzziele steigt der Druck. Die zentrale Frage lautet daher: Wie kann die Grundstoffindustrie in Deutschland bis spätestens 2050 klimaneutral werden - und gleichzeitig ihre starke Stellung im internationalen Wettbewerbsumfeld behalten?
Agora Energiewende und das Wuppertal Institut haben im Rahmen dieses Projekts in zahlreichen Workshops mit Industrie, Verbänden, Gewerkschaften, Ministerien und der Zivilgesellschaft die Zukunft für eine klimaneutrale Industrie diskutiert und einen Lösungsraum aus technologischen Optionen und politischen Rahmenbedingungen skizziert. In den Workshops wurde deutlich: Die Industrie steht in den Startlöchern, die Herausforderung Klimaschutz offensiv anzugehen. Die fehlenden Rahmenbedingungen und der bisher unzureichende Gestaltungswille der Politik, innovative Instrumente umzusetzen, hindern sie jedoch voranzugehen.
Es ist höchste Zeit, dass sich das ändert. Denn jede neue Industrieanlage muss klimasicher sein - schließlich hat sie eine Laufzeit bis weit über das Jahr 2050 hinaus. Diese Publikation soll einen Beitrag dazu leisten, richtungssicher investieren zu können.
Die Grundstoffindustrie ist ein wichtiger Pfeiler des Wohlstands in Deutschland, sie garantiert Wertschöpfung und sorgt für über 550.000 hochwertige Arbeitsplätze. Um diese für die deutsche Wirtschaft wichtigen Branchen zu erhalten, müssen jetzt die Schlüsseltechnologien für eine CO2-arme Grundstoffproduktion entwickelt und für den großtechnischen Einsatz skaliert werden.
Die vorliegende Analyse ist als Ergänzung zu der Studie "Klimaneutrale Industrie: Schlüsseltechnologien und Politikoptionen für Stahl, Chemie und Zement" gedacht. Die 13 in der erwähnten Studie vorgestellten Schlüsseltechnologien werden hier für die technisch interessierten Leserinnen und Leser eingehender beschrieben und diskutiert.
Diese Publikation dient als Aufschlag für eine Diskussion über Technologieoptionen und Strategien für eine klimaneutrale Industrie. Alle Daten und Annahmen in dieser Analyse wurden mit Unternehmen und Branchenverbänden intensiv besprochen. Die quantitativen Aussagen sind trotzdem als vorläufig zu betrachten, da sich viele Technologien noch in einer frühen Entwicklungsphase befinden und Abschätzungen über Kosten mit großen Unsicherheiten verbunden sind.
Innerhalb des Projekts TFE-NRW bewertete das Wuppertal Institut den Forschungsbedarf für Energiewende-Technologien in Nordrhein-Westfalen. Ziel war es herauszufinden, welche Technologien und Forschungsbereiche im Rahmen der Energieforschung für Nordrhein-Westfalen (NRW) einen besonders hohen Stellenwert in Relation zur Bewertung für Deutschland haben könnten und für die eine besondere Unterstützung innerhalb der Energieforschung gerechtfertigt erscheint. Dabei sollten die speziellen Anforderungen des Bundeslandes berücksichtigt werden.
Betrachtet wurden 31 Technologiefelder aus den Bereichen erneuerbare Energien, konventionelle Kraftwerke, Infrastruktur, Technologien für die Sektorenkopplung (Power-to-X, P2X), energie- und ressourceneffiziente Gebäude, Energie- und Ressourceneffizienz in der Industrie und integrative Aspekte, die mithilfe eines Kriterienrasters qualitativ bewertet wurden.
