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Im Fokus der Studiendatenbank stehen Veröffentlichungen, die sich mit dem notwendigen Umbau und der Steuerung des Energiesystems für eine erfolgreiche Energiewende insgesamt beschäftigen. Mehr zu den Kriterien, nach denen das Forschungsradar Studien aufnimmt …

 

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Energiekonzept 2050. Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100% erneuerbaren Energien

Herausgeber/Institute:

FVEE

Datum:

Juni 2010

Autoren:

Jürgen Schmid et al.

Art der Veröffentlichung:

Konzept

Themenbereiche:

Energiesysteme
Politik

Schlagwörter:

Energieeffizienz, Netzintegration, ökonomische Effekte, Verkehr, Lastmanagement, Systemtransformation

Seitenzahl:

72

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Zielsetzung und Fragestellung

Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE) hat sich zusammen mit sieben Mitgliedsinstituten zum Ziel gesetzt, ein Konzept für ein deutsches Energieversorgungssystem im Jahr 2050 zu formulieren, das auf 100 % Erneuerbaren Energien basiert. Es ist ein Beitrag zum Energiekonzept der Bundesregierung und ist als Grundlage für die Erarbeitung von Empfehlungen zum 6. Energieforschungsprogramm gedacht. Es umfasst alle Nutzungsbereiche: Strom, Wärme und Kraftstoffe.

Die Studie untersucht, mit welchen technologischen Komponenten eine Versorgung mit 100 % Erneuerbaren Energien nachhaltig, kostengünstig und versorgungssicher möglich ist. Anschließend werden die notwendigen technologischen Transformationsprozesse erläutert und die Bedeutung von Forschung und Entwicklung für diesen Prozess dargestellt. Am Schluss stehen politische Handlungsempfehlungen, um die Transformationsprozesse anzustoßen beziehungsweise zu beschleunigen.

Zentrale Ergebnisse

100 % Erneuerbare Energie ist möglich mit einem robusten Energiemix

Baut die Energieversorgung auf die technologische Vielfalt der Erneuerbaren Energien, ist die Versorgung bei geringerem Beitrag oder zeitweiligem Ausfall einer Technologie durch Alternativen gewährleistet. Ein robustes Energieversorgungssystem besteht daher aus einem Mix von Wind- und Wasserkraft, Photovoltaik, Solarthermischen Kraftwerken im Süden Europas und Nordafrika, solarthermischer Wärmeerzeugung, Biomasse-Reststoffnutzung, Geothermie und Wellenenergie. Biomasse wird im Energiekonzept nur in geringem Umfang ...

100 % Erneuerbare Energie ist möglich mit einem robusten Energiemix

Baut die Energieversorgung auf die technologische Vielfalt der Erneuerbaren Energien, ist die Versorgung bei geringerem Beitrag oder zeitweiligem Ausfall einer Technologie durch Alternativen gewährleistet. Ein robustes Energieversorgungssystem besteht daher aus einem Mix von Wind- und Wasserkraft, Photovoltaik, Solarthermischen Kraftwerken im Süden Europas und Nordafrika, solarthermischer Wärmeerzeugung, Biomasse-Reststoffnutzung, Geothermie und Wellenenergie. Biomasse wird im Energiekonzept nur in geringem Umfang ...

100 % Erneuerbare Energie ist möglich mit einem robusten Energiemix

Baut die Energieversorgung auf die technologische Vielfalt der Erneuerbaren Energien, ist die Versorgung bei geringerem Beitrag oder zeitweiligem Ausfall einer Technologie durch Alternativen gewährleistet. Ein robustes Energieversorgungssystem besteht daher aus einem Mix von Wind- und Wasserkraft, Photovoltaik, Solarthermischen Kraftwerken im Süden Europas und Nordafrika, solarthermischer Wärmeerzeugung, Biomasse-Reststoffnutzung, Geothermie und Wellenenergie. Biomasse wird im Energiekonzept nur in geringem Umfang energetisch genutzt aufgrund der begrenzten Ressourcen und Nutzungskonkurrenzen.

Trotz verstärktem Einsatz von Energieeffizienztechnologien wird Strom zum Hauptenergieträger der künftigen Energieversorgung. Dazu tragen neue Anwendungen wie die Elektromobilität und Wärmepumpen bei. Wind- und Solarenergie liefern den größten Beitrag zur Stromversorgung, da sie das größte Potenzial aufweisen und sich zu den kostengünstigsten Stromquellen entwickeln. Mit Hilfe der Umwandlung in die chemischen Energieträger Wasserstoff und Methan kann der Strom aus fluktuierenden Quellen lange Zeit gespeichert und vielfältig verwendet werden.

Systemtransformation in der Energieversorgung notwendig

Die Realisierung des Energiekonzeptes 2050 erfordert die Transformation des Energiesystems von einer zentralen, lastoptimierten Versorgungsstruktur hin zu einem dezentralen, intelligenten, last- und angebotsorientierten System. Großkraftwerke sind ungeeignet, fluktuierende Ströme aus erneuerbaren Energien auszugleichen, denn sie können die dafür erforderlichen großen Leistungsänderungen nicht abbilden. Häufige und große Laständerungen reduzieren bei Großkraftwerken die Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit. Das bedeutet, dass künftig weder Kernkraftwerke, noch Fusionskraftwerke, noch Kohlekraftwerke eingesetzt werden können. Die gegenwärtigen Ansätze der CO2-Abscheidung und Speicherung bei der Kohleverstromung (CCS) führen aus wirtschaftlichen und aus systemischen Gründen in eine verkehrte Richtung.

Geeignete Kraftwerkstypen sind künftig schnell reagierende Gaskraftwerke und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die über Kommunikationseinrichtungen als so genannte virtuelle Kraftwerke gesteuert werden. Zudem ergänzen Last- und Erzeugungsmanagement-Verfahren in Verbindung mit intelligenten Netzen (Smart Grids) und effizienten Speichertechnologien die wachsenden Anteile fluktuierender Erneuerbarer Energien.

Erforderlicher Netzausbau und Energiespeicher

Für die Nutzung der fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen Wind und Sonne spielen der Stromtransport und der Energieausgleich auf europäischer Ebene eine Schlüsselrolle. Die dezentrale Erzeugung wird ergänzt durch ein Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetz (HGÜ) in Europa und Nordafrika. Die Netze benötigen eine intelligente Steuerung, die den regionalen und den europaweiten Ausgleich von Energiebedarf und -angebot (Smart Grid) ermöglicht. Lastmanagement passt den Energieverbrauch ein Stück weit an das Energieangebot an.

Trotz des Zusammenspiels verschiedener Erneuerbarer Energien, eines europäischen Ausgleichs von zeitweiligen regionalen Über- und Unterkapazitäten sowie einer intelligenten Steuerung von Angebot und Nachfrage werden für einen hohen Anteil fluktuierender Energiequellen noch große Speicherkapazitäten benötigt. Die heutigen Wasserspeicher werden künftig durch Latentspeicher und chemische Speicher ergänzt. Für den Ausgleich kurzfristiger Schwankungen stehen elektrochemische Stromspeicher zur Verfügung, insbesondere durch die Elektromobilität. Die mittel- bis langfristige Energiespeicherung erfolgt chemisch, entweder in Form von aus erneuerbarem Strom gewonnenen Wasserstoff oder synthetischem Methan. Thermische Energiespeicher werden als kurz- und mittelfristige sowie saisonale Speicher eingesetzt. Sie werden in einzelnen Gebäuden installiert oder als Großspeicher in Wärme- und Kältenetze integriert.

Zentrale Rolle der Energieeffizienz im Wärme- und Mobilitätssektor

Die Reduzierung des Energiebedarfs ist ein wesentliches Element des Energiekonzeptes. Die angestrebten hohen Anteile Erneuerbarer Energien können nur erreicht werden, wenn ein großer Teil der bestehenden Effizienzpotenziale erschlossen wird. Dies erfordert im Wärmebereich die flächendeckende energetische Sanierung des Gebäudebestands und den Bau von Niedrigst-, Passiv- oder Plusenergiehäusern. Der restliche Wärmebedarf wird mit solarthermischen Anlagen, Wärmepumpen und aus Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt. Der Bedarf an Kälte wird klimabedingt zunehmen und in Städten zunehmend über Kältenetze gedeckt.

Bei der Energiebereitstellung erhöht die Kraft-Wärme-Kopplung die Nutzungseffizienz der Erneuerbaren Energien. Mobilität ist im Jahr 2050 vor allem Elektromobilität, da Elektromotoren sehr effizient sind und den Primärenergieeinsatz senken. Der Strom dafür muss vollständig aus Erneuerbaren Energien bereit gestellt werden. Durch die Einbindung der Fahrzeugbatterien in das Stromnetz können diese zur Erhöhung der Versorgungssicherheit genutzt werden. Biokraftstoffe sowie erneuerbare Kraftstoffe aus Wind- und Solarenergie (Wasserstoff und Methangas) werden vor allem im Langstrecken- und Güterverkehr und in der Luftfahrt eingesetzt.

Ökonomische Wirkungen

Das Energiesystem 2050 wird bei optimaler Auslegung volkswirtschaftlich nicht teurer als das gegenwärtige. Die Berechnungen zeigen, dass die Transformation des Energiesystems in der kommenden Dekade zu Mehrkosten führt, ab 2030 aber günstiger ist als das fossil-nukleare Vergleichssystem. Das liegt daran, dass die schwindenden fossilen Energieressourcen teurer werden, während die Kosten der sich noch in der technologischen Entwicklung befindenden Erneuerbaren Energien sinken.

Über die Jahre sparen die Erneuerbaren Energien insgesamt mehr Kosten ein, als Vorleistungen bis zum Erreichen des Break-Even- Punkts erbracht werden müssen. Der Ausbau der Erneuerbaren Energien ist daher auch ökonomisch sinnvoll. Stromkosten

Die mittleren Stromkosten für den erneuerbaren Erzeugungsmix steigen von heute 11,5 ct/kWh zunächst auf 13,1 ct/kWh in 2015, womit sie ihr Maximum erreichen. Danach sinken sie kontinuierlich ab, und zwar auf 6,3 ct/kWh bis 2050. Durch die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien entstehen in Deutschland im Jahr 2010 voraussichtlich Differenzkosten in Höhe von etwa 7,5 Mrd. Euro, die zunächst weiter ansteigen und mit ca. 13,6 Mrd. Euro ihr Maximum im Jahr 2016 erreichen. Danach sind sie rückläufig. Zwischen 2020 und 2030 erreicht der Mix Erneuerbarer Energien den Break-Even-Punkt mit den fossilen Energieträgern. Im Jahr 2050 wird bereits eine Kostenersparnis von ca. 61,3 Mrd. Euro gegenüber einer fossilen Versorgung erreicht. Insgesamt werden im Zeitraum 2010 bis 2050 durch die Nutzung erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung Kosten in Höhe von 567 Mrd. Euro eingespart. Kumuliert über die Jahre sparen die Erneuerbaren Energien insgesamt mehr Kosten ein, als an Vorleistungen bis zum Erreichen des Break-Even- Punkts erbracht werden müssen. Der Ausbau der Erneuerbaren Energien ist daher auch ökonomisch sinnvoll.

Kosten im Wärme- und Verkehrsbereich

Die Differenzkosten im Wärmesektor belaufen sich im Jahr 2010 auf ca. 2,9 Mrd. Euro. Das Maximum der jährlichen Differenzkostensumme wird hier mit etwa 3,1 Mrd. Euro bereits im Jahr 2012 erreicht. Danach sinken die Differenzkosten kontinuierlich ab. Im Jahr 2050 ergeben sich Kosteneinsparungen in Höhe von ca. 17,2 Mrd. Euro. Mehrkosten im Verkehr resultieren für einen Übergangszeitraum aus der zunehmenden Nutzung von Biokraftstoffen und der Einführung von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben.

Insgesamt wird das Maximum der Mehrkosten für die Förderung der Erneuerbaren Energien bereits im Jahr 2015 mit einer Summe von rund 17 Mrd. Euro erreicht. Das entspricht ca. 8% der Gesamtausgaben für Energie in Höhe von ca. 212 Mrd. €/a in Deutschland. Im Zeitraum 2010 bis 2050 können allein in den Sektoren Strom und Wärme Kosten von insgesamt 730 Mrd. Euro eingespart werden. Bedeutung von Forschung und Entwicklung

Die technologischen, ökonomischen und soziologischen Herausforderungen bei der Transformation zum Energiesystem 2050 sind nur mit Forschung und Entwicklung zu bewältigen. Es ist eine ständige Weiterentwicklung der Erneuerbaren und Effizienztechnologien und der sozialen Begleitforschung erforderlich. Technologiespezifische Lernkurven und entsprechende Kostenreduktionen stellen sich also dann ein, wenn Forschung und Entwicklung in Kombination mit einem kontinuierlichen Marktausbau erfolgen.

Die wichtigsten Forschungsfelder aus Sicht des Energiekonzepts 2050 liegen insbesondere in folgenden Bereichen:

  • energieeffizientes und solares Bauen
  • Photovoltaik, mit einem Fokus auf Kostenreduktionen
  • solarthermische Kraftwerke in Verbindung mit Energiespeichern
  • Windenergie, vor allem hinsichtlich weiterer Kostenreduktionen und Offshore-Wind
  • Strom, Wärme und Kälteerzeugung aus Geothermie
  • Strom und Wärme aus Brennstoffzellen
  • Energiespeicher, darunter aus Erneuerbaren Energien gewonnene chemische Energieträger
  • Wärme und Kälte aus solarthermischen Kollektoren
  • Elektromobilität
  • Elektrische Systemtechnik, Netzmanagement und dezentrale Kraftwerke
  • Systemanalyse und Technikfolgenabschätzung für finanzielle Anreize und politischen Handlungsbedarf
  • Soziale Begleitforschung zu Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz

Politische Handlungsempfehlungen

Das Energiekonzept 2050 benötigt zur Realisierung ein Transformationskonzept. Die Energiepolitik hat die Aufgabe, die notwendigen Transformationen des Energiesystems zu stimulieren oder zu beschleunigen. Die Umsetzung des Energiekonzeptes erfordert politische Unterstützung für die Verstetigung der Markteinführung, wo sie erfolgreich ist und Ergänzung und Verstärkung, wo die Transformationsgeschwindigkeit bislang unzureichend ist. Politischer Handlungsbedarf besteht insbesondere in den folgenden Bereichen:

  • Stimulation von Energieeffizienzmaßnahmen
  • Beibehaltung und Weiterentwicklung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes und europaweite Einführung ähnlicher Instrumente im Strombereich
  • Stimulation der Wärmeerzeugung aus Erneuerbaren Energien
  • Markteinführung von EE-Mobilitätskonzepten
  • Erhöhung der Ressourcenproduktivität
  • Um- und Ausbau der Strom-, Nah- und Fernwärmenetze sowie Kältenetze, Einführung von Smart Grids
  • Integration von Energiespeichern
  • Ausbau von Gaskraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung
  • Integration in ein europäisches Energiekonzept
  • Aus- und Weiterbildung von Fachkräften
  • Erhöhung der Akzeptanz und aktiven Beteiligung der Öffentlichkeit
  • Technologieentwicklung durch Förderung von Forschung und Entwicklung"

Zentrale Annahmen und Thesen

Bis 2050 ist in Deutschland ein Energiesystem auf Basis von 100% Erneuerbaren Energien möglich

Erneuerbare Energien haben das größte energetische und technische Potenzial aller bekannten Energiequellen. In Deutschland und Europa sind die Potenziale an Erneuerbaren Energien deutlich höher als der Energiebedarf. Erfolge in Forschung und Entwicklung haben die Nutzung der Erneuerbaren Energien in den vergangenen zwei Jahrzehnten leistungsfähiger und nachhaltiger gemacht. Sie sind umwelt- und klimafreundlich, global einsetzbar, in wenigen Jahren die kostengünstigsten Energiequellen und genießen ...

Bis 2050 ist in Deutschland ein Energiesystem auf Basis von 100% Erneuerbaren Energien möglich

Erneuerbare Energien haben das größte energetische und technische Potenzial aller bekannten Energiequellen. In Deutschland und Europa sind die Potenziale an Erneuerbaren Energien deutlich höher als der Energiebedarf. Erfolge in Forschung und Entwicklung haben die Nutzung der Erneuerbaren Energien in den vergangenen zwei Jahrzehnten leistungsfähiger und nachhaltiger gemacht. Sie sind umwelt- und klimafreundlich, global einsetzbar, in wenigen Jahren die kostengünstigsten Energiequellen und genießen ...

Bis 2050 ist in Deutschland ein Energiesystem auf Basis von 100% Erneuerbaren Energien möglich

Erneuerbare Energien haben das größte energetische und technische Potenzial aller bekannten Energiequellen. In Deutschland und Europa sind die Potenziale an Erneuerbaren Energien deutlich höher als der Energiebedarf. Erfolge in Forschung und Entwicklung haben die Nutzung der Erneuerbaren Energien in den vergangenen zwei Jahrzehnten leistungsfähiger und nachhaltiger gemacht. Sie sind umwelt- und klimafreundlich, global einsetzbar, in wenigen Jahren die kostengünstigsten Energiequellen und genießen eine hohe gesellschaftliche Akzeptanz. Als heimische Energiequellen reduzieren sie die Abhängigkeit von Energieimporten, erhöhen die Energiewertschöpfung im Land und schaffen Arbeitsplätze. Dank der Fortschritte bei der Markt- und Technologieentwicklung kann bei anhaltender Innovationsdynamik schon 2050 in Deutschland ein Energiesystem realisiert werden, das zu 100 % auf Erneuerbaren Energien und Energieeffizienz basiert.

Methodik

Das Energiekonzept 2050 analysiert, wie ein auf 100 % Erneuerbaren Energien basierendes Energieversorgungssystem im Jahr 2050 aussehen und funktionieren kann und benennt die damit verbundenen energie- und forschungspolitischen Voraussetzungen.

Im Hinblick auf die primärenergetischen Einsparpotenziale und die Bewertung der Bioenergie lehnt sich die Studie an das WBGU-Gutachten 2008 „Welt im Wandel – Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung“ an. In Bezug auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien fließen die Ergebnisse der DLR-Leitszenarien 2008 und 2009 sowie der Vorarbeiten zur ...

Das Energiekonzept 2050 analysiert, wie ein auf 100 % Erneuerbaren Energien basierendes Energieversorgungssystem im Jahr 2050 aussehen und funktionieren kann und benennt die damit verbundenen energie- und forschungspolitischen Voraussetzungen.

Im Hinblick auf die primärenergetischen Einsparpotenziale und die Bewertung der Bioenergie lehnt sich die Studie an das WBGU-Gutachten 2008 „Welt im Wandel – Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung“ an. In Bezug auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien fließen die Ergebnisse der DLR-Leitszenarien 2008 und 2009 sowie der Vorarbeiten zur ...

Das Energiekonzept 2050 analysiert, wie ein auf 100 % Erneuerbaren Energien basierendes Energieversorgungssystem im Jahr 2050 aussehen und funktionieren kann und benennt die damit verbundenen energie- und forschungspolitischen Voraussetzungen.

Im Hinblick auf die primärenergetischen Einsparpotenziale und die Bewertung der Bioenergie lehnt sich die Studie an das WBGU-Gutachten 2008 „Welt im Wandel – Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung“ an. In Bezug auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien fließen die Ergebnisse der DLR-Leitszenarien 2008 und 2009 sowie der Vorarbeiten zur Leitstudie 2010 ein, wobei ein stärkerer Ausbau der Photovoltaik zugrunde gelegt wird. Einige systemanalytische Ergebnisse werden der Studie des SRU „100 % erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar“ vom Mai 2010 entnommen und hinsichtlich des Energiebedarfs im Verkehr orientiert sich der FVEE an den Analysen der Studie „Modell Deutschland – Klimaschutz bis 2050. Vom Ziel her denken“ von WWF und Öko-Institut.

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