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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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Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung

Herausgeber/Institute:

SRU

Datum:

Januar 2011

Autoren:

Martin Faulstich et al.

Art der Veröffentlichung:

Sondergutachten

Themenbereiche:

Energiesysteme
Ökonomie
Politik
Umwelt + Soziales

Schlagwörter:

Klimaschutz, ökonomische Effekte, Atomkraft, Biomasse, Energieeffizienz, Energiepreise, Europa, Exporte, Potenziale, Sonnenenergie, Strommarkt, Stromnetze, Systemtransformation, Treibhausgase, Versorgungssicherheit, Wasserkraft, Windenergie, Geothermie

Seitenzahl:

680

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Zielsetzung und Fragestellung

Das Sondergutachten des SRU untersucht die Möglichkeiten einer Umstellung des Stromversorgungssystems in Deutschland auf 100% Erneuerbare Energien bis 2050. Es analysiert den Transformationsbedarf unter technischen, ökonomischen, rechtlichen und politischen Aspekten und formuliert Handlungsempfehlungen für das Erreichen dieses Ziels.

Im Einzelnen behandelt die Studie folgende Fragen:

  • Ist eine Vollversorgung durch erneuerbare Energien im Strombereich für Deutschland technisch möglich? Wäre die Versorgungssicherheit gewährleistet?
  • Wie hoch müssen die Kosten eingeschätzt werden?
  • In welchem zeitlichen Rahmen ist der Umstieg umsetzbar und welche Schritte sind notwendig?
  • Welche Herausforderungen sind zu bewältigen? Welche politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen müssen berücksichtigt werden und welche Gestaltungsspielräume bieten diese?
  • Welche politischen Maßnahmen und Steuerungsinstrumente können eingesetzt werden, um die Transformation effektiv und effizient zu gestalten ?

Zentrale Ergebnisse

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden ...

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden ...

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden werden können.

Stromverbrauch 2050

Der SRU untersucht verschiedene Szenarien mit einem Stromverbrauch zwischen 500 und 700 Terawattstunden pro Jahr (TWh/a). Nach Auswertung verschiedener Studien geht der SRU davon aus, dass die jährliche Stromnachfrage (Bruttostromverbrauch) in Deutschland bis zum Jahr 2050 auf rund 500 TWh/a verringert werden kann. Dafür sind ehrgeizige Effizienzmaßnahmen notwendig, wobei die Elektrifizierung des Individualverkehrs im Umfang von etwa der Hälfte der derzeitigen Verkehrsleistung gleichzeitig möglich ist.

In einer zweiten Variante steigt der jährliche Strombedarf auf 700 TWh, wenn keine umfangreiche Effizienzmaßnahmen umgesetzt und der Individualverkehr weitestgehend auf elektrische Antriebe umgestellt würde. Ein anderes Szenario mit 700 TWh/a ergibt sich, wenn zwar ehrgeizige Effizienzmaßnahmen ergriffen werden, aber gleichzeitig neben dem Individualverkehr auch der größte Teil des im Jahr 2050 verbleibenden Heizwärmebedarfs und ein großer Anteil des industriellen Prozesswärmebedarfs elektrisch gedeckt werden.

Energiespeicher und Stromgestehungskosten

Die Szenarioanalyse berücksichtigt Pump- und Druckluftspeicher. Die Speicherung in Form von Wasserstoff oder Methan kommt aufgrund der relativ hohen Systemverluste und der damit verbundenen hohen Kosten in keinem Szenario zum Einsatz. Die Stromspeicherung über den chemischen Speicher Methan wird jedoch als eine interessante Möglichkeit für den System übergreifenden Ansatz beschrieben.

Der Verlauf der spezifischen Stromgestehungskosten basiert auf Berechnungen des DLR und ist vergleichbar mit den Kostenannahmen der Leitstudie 2009 für das BMU. Die Berechnungen basieren auf einem angenommenen Zinssatz von 6 Prozent.

Regenerative Vollversorgung im Jahr 2050 ist kostengünstig

Die inflationsbereinigten Stromgestehungskosten einer regenerativen Vollversorgung im Jahr 2050 werden insgesamt unter denjenigen eines CO2-armen, konventionellen Energiemix liegen, da steigende Brennstoffkosten und die Kosten für Emissionszertifikate vermieden werden können.

Je nach Anteil der verschiedenen Erneuerbaren Energien, Speichertechnologien und Stromaustauschbilanzen ergeben sich sehr unterschiedliche durchschnittliche Stromgestehungskosten in 2050. Mit 11,5 ct/kWh fällt das Szenario am teuersten aus, bei dem heimische Erneuerbare Energien vollständig den Stromverbrauch der höheren Stromverbrauchsvariante (700 TWh) decken und kein Stromaustausch mit anderen Ländern stattfindet. Am günstigsten ist das Szenario mit einem Stromverbrauch von 500 TWh, einem intensiven Stromaustausch mit Dänemark und Norwegen und einem Nettostromimport aus diesen Ländern von 15% der Jahresarbeit. Hier betragen die durchschnittlichen Stromgestehungskosten 6,5 ct/kWh.

Die Kosten für zusätzliche Speicher und grenzüberschreitenden Transport im Jahr 2050 betragen in den Übergangsszenarien etwa 2 ct/kWh. Darin sind die Kosten für eine in Norwegen genutzte Speicherleistung von 42 Gigawatt (GW) und eine in Deutschland eingesetzte Druckluftspeicherleistung von gut 18 GW enthalten, die in kürzester Zeit als Erzeugungs- und als Speicherleistung abgerufen werden können.

Handlungsempfehlungen für die Energie- und Klimapolitik

Als zentrale politische Ansatzpunkte für eine Transformation der Stromversorgung auf nationaler und europäischer Ebene betrachtet der SRU:

  • ein abgestimmtes Klima- und Energiekonzept mit einem klaren Bekenntnis für das Ziel von 100 Prozent Erneuerbaren Energien in der Stromversorgung.
  • die Förderung der Energieeffizienz durch neue politische Instrumente.
  • die Weiterentwicklung der Förderinstrumente für Erneuerbare Energien auf europäischer und nationaler Ebene. Auf nationaler Ebene sollen dabei die tragenden Säulen Einspeisevorrang und garantierte Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) beibehalten werden. Für Offshore-Wind zieht der SRU Ausschreibungsmodelle in Betracht, bei der Photovoltaik setzt er auf ein niedriges, aber stabiles Wachstum, das durch eine absolute Obergrenze der geförderten Kapazitäten begrenzt werden könnte. Für Biomasse schlägt er eine Förderung auf Basis einer Marktprämie vor.
  • die Entwicklung eines Bundesfachplanes „Stromübertragungsnetz 2030“. Damit sollen der Bedarf und die Trassenkorridore festgelegt sowie eine Alternativdebatte mit Zielhorizont 2030 ermöglicht werden.
  • keine Laufzeitverlängerung für Atomkraftwerke, da diese für den Übergang zu einer regenerativen Stromversorgung nicht erforderlich sind. Vielmehr sieht der SRU einen Systemkonflikt zwischen hohen Anteilen volatiler erneuerbarer Energien und schlecht regelbarer Grundlastenergie. Dies führe zu hohen volkswirtschaftlichen Kosten und Investitionsrisiken für die Erneuerbaren Energien.
  • der gestaltete Abgang der konventionellen Kraftwerke. Hierfür schlägt der SRU unter anderem verschärfte Emissionsobergrenzen im europäischen Emissionshandelsregime vor, um die wirtschaftliche Attraktivität neuer Kohlekraftwerke zu mindern. Ordnungsrechtliche Maßnahmen wie eine Novelle des Bundes-Immissionsschutzgesetzes mit der Festsetzung von CO2-Emissionsgrenzwerten sollten flankierend erwogen werden.
  • eine europäische Roadmap für Erneuerbare Energien mit Zielhorizont 2030. Die Erneuerbare-Energien-Richtlinie 2009 sollte frühzeitig fortgeschrieben und ein Ziel von deutlich über 50 Prozent Erneuerbarer Energien festgesetzt werden. Eine europäische Harmonisierung der Förderungen wird für in absehbarer Zeit als nicht sachgerecht gesehen und könnte instrumentelle Innovationen eher bremsen.
  • ein Aktionsplan Offshore - Anbindung und Kooperation im Nordseeraum. Dies beinhaltet koordinierte Netzplanungen im Nordseeraum sowie die Integration der skandinavischen Pumpspeicherpotenziale in das System.

Zentrale Annahmen und Thesen

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden werden können.

Stromverbrauch 2050

Der SRU untersucht verschiedene Szenarien mit einem Stromverbrauch zwischen 500 und 700 ...

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden werden können.

Stromverbrauch 2050

Der SRU untersucht verschiedene Szenarien mit einem Stromverbrauch zwischen 500 und 700 ...

Notwendigkeit einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien

Eine dauerhaft nachhaltige, klimafreundliche Stromversorgung kann nur durch die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien sichergestellt werden. Gesamtgesellschaftliche Treibhausgasreduktionen von 80 bis 95 Prozent bedeuten für den Stromsektor eine nahezu vollständige Emissionsvermeidung, da die Emissionen anderer Sektoren nicht umfassend oder nur zu vergleichsweise hohen Kosten vermieden werden können.

Stromverbrauch 2050

Der SRU untersucht verschiedene Szenarien mit einem Stromverbrauch zwischen 500 und 700 Terawattstunden pro Jahr (TWh/a). Nach Auswertung verschiedener Studien geht der SRU davon aus, dass die jährliche Stromnachfrage (Bruttostromverbrauch) in Deutschland bis zum Jahr 2050 auf rund 500 TWh/a verringert werden kann. Dafür sind ehrgeizige Effizienzmaßnahmen notwendig, wobei die Elektrifizierung des Individualverkehrs im Umfang von etwa der Hälfte der derzeitigen Verkehrsleistung gleichzeitig möglich ist.

In einer zweiten Variante steigt der jährliche Strombedarf auf 700 TWh, wenn keine umfangreiche Effizienzmaßnahmen umgesetzt und der Individualverkehr weitestgehend auf elektrische Antriebe umgestellt würde. Ein anderes Szenario mit 700 TWh/a ergibt sich, wenn zwar ehrgeizige Effizienzmaßnahmen ergriffen werden, aber gleichzeitig neben dem Individualverkehr auch der größte Teil des im Jahr 2050 verbleibenden Heizwärmebedarfs und ein großer Anteil des industriellen Prozesswärmebedarfs elektrisch gedeckt werden.

Energiespeicher und Stromgestehungskosten

Die Szenarioanalyse berücksichtigt Pump- und Druckluftspeicher. Die Speicherung in Form von Wasserstoff oder Methan kommt aufgrund der relativ hohen Systemverluste und der damit verbundenen hohen Kosten in keinem Szenario zum Einsatz. Die Stromspeicherung über den chemischen Speicher Methan wird jedoch als eine interessante Möglichkeit für den System übergreifenden Ansatz beschrieben.

Der Verlauf der spezifischen Stromgestehungskosten basiert auf Berechnungen des DLR und ist vergleichbar mit den Kostenannahmen der Leitstudie 2009 für das BMU. Die Berechnungen basieren auf einem angenommenen Zinssatz von 6 Prozent.

Methodik

Analyse zielorientierter Szenarien

Die Grundlage für die am Ende ausgesprochenen Handlungsempfehlungen bilden acht verschiedene technisch-ökonomische Szenarien einer bis zum Jahr 2050 vollständig regenerativen Stromversorgung in Deutschland. Dabei variieren die Höhe des Stromverbrauchs, die Intensität des Stromaustauschs mit dem Ausland und die Nettostromimporte. Unter diesen vorgegebenen Rahmenbedingungen wird das kostenminimale Portfolio an erneuerbaren Energien im Jahr 2050 berechnet. Zwei sogenannte Übergangsszenarien betrachten dabei, wie die Entwicklung bis zum Jahr 2050 verlaufen ...

Analyse zielorientierter Szenarien

Die Grundlage für die am Ende ausgesprochenen Handlungsempfehlungen bilden acht verschiedene technisch-ökonomische Szenarien einer bis zum Jahr 2050 vollständig regenerativen Stromversorgung in Deutschland. Dabei variieren die Höhe des Stromverbrauchs, die Intensität des Stromaustauschs mit dem Ausland und die Nettostromimporte. Unter diesen vorgegebenen Rahmenbedingungen wird das kostenminimale Portfolio an erneuerbaren Energien im Jahr 2050 berechnet. Zwei sogenannte Übergangsszenarien betrachten dabei, wie die Entwicklung bis zum Jahr 2050 verlaufen ...

Analyse zielorientierter Szenarien

Die Grundlage für die am Ende ausgesprochenen Handlungsempfehlungen bilden acht verschiedene technisch-ökonomische Szenarien einer bis zum Jahr 2050 vollständig regenerativen Stromversorgung in Deutschland. Dabei variieren die Höhe des Stromverbrauchs, die Intensität des Stromaustauschs mit dem Ausland und die Nettostromimporte. Unter diesen vorgegebenen Rahmenbedingungen wird das kostenminimale Portfolio an erneuerbaren Energien im Jahr 2050 berechnet. Zwei sogenannte Übergangsszenarien betrachten dabei, wie die Entwicklung bis zum Jahr 2050 verlaufen kann.

Die Szenarien lassen sich in drei verschiedene Familien zusammenfassen: In der ersten Szenariofamilie (DE 100% SV) wird Deutschland 2050 unter autarken Bedingungen vollständig regenerativ versorgt. Die gesamte Stromnachfrage wird aus heimischen erneuerbaren Quellen gedeckt, es gibt keinen Austausch von Strom mit dem Ausland.

Eine zweite Szenariofamilie modelliert Deutschland als Teil eines Stromverbundes mit Dänemark und Norwegen (DE–DK–NO). Diese Szenarien untersuchen die mögliche Nutzung der Speicherpotenziale in Norwegen für eine regenerative Stromversorgung in Deutschland. Eine Variante beinhaltet einen Nettostromimport aus Skandinavien in Höhe von 15 Prozent der deutschen Stromerzeugung, der Selbstversorgungsgrad sinkt bis auf 85 Prozent (DE–DK–NO 85% SV).

Die dritte Szenariofamilie erweitert den Stromverbund auf ganz Europa und die Region Nordafrika (DE–EUNA). Alle Szenariofamilien werden jeweils für eine Bruttostromnachfrage in Deutschland von 509 TWh und von 700 TWh berechnet. In allen Szenarien wird angenommen, dass der gesamte Strom in allen beteiligten Ländern des Verbundes regenerativ erzeugt wird.

Anwendung des Rechenmodells REMix des DLR

Die verschiedenen Szenarien wurden vom DLR mit dem Energiemodell REMix berechnet. Die Analyse der Stromerzeugungspotenziale beruht auf einem geografischen Informationssystem, das die erneuerbaren Energieträger in Deutschland, Europa und Nordafrika erfasst. Die Stromnachfrage wird in den Simulationen entweder durch zeitgleiche Produktion regenerativer Elektrizität oder durch den Einsatz zuvor gespeicherten Stroms bedient. Alle Berechnungen beinhalten die sich ergebenden Umwandlungs- und Leitungsverluste für den weiträumigen Transport. Für die Berechnung des optimalen Erzeugungsmixes wird der Lastgang eines historischen Jahres zugrunde gelegt und auf das Verbrauchsniveau des Zieljahres (509 oder 700 TWh/a) skaliert.

Analyse der politischen Chancen und Herausforderungen

Die technisch-ökonomischen Ergebnisse der Szenarienanalysen ergänzt der SRU durch die Untersuchung der Klimaschutz- und Energiepolitik in Deutschland und der EU. Auf dieser Basis werden Vorschläge für rechtliche und politische Maßnahmen entwickelt, die die Transformation des Stromsystems unterstützen sollen.

Grafiken

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