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Wie lässt sich ein nachhaltiges Energiesystem gestalten?

FVEE zeigt Gestaltungsoptionen für ein nachhaltiges Energiesystem

Welche Optionen bestehen für die Politik, die Energiewende zum Erfolg zu führen? Wie lässt sich ein nachhaltiges Energiesystem gestalten? Welche Herausforderungen bei der Transformation des Energiesystems gibt es? Mit diesen Fragen beschäftigte sich die Jahrestagung des ForschungsVerbundes Erneuerbare Energien (FVEE) am 2. und 3. November 2016 im Umweltforum in Berlin. Das Motto der Tagung hieß „Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems“. Es kamen Vertreter aus Wissenschaft und Politik zusammen, um die Möglichkeiten einer nachhaltigen Energieversorgung zu diskutieren.

Gestaltungsanforderungen an ein künftiges Energiesystem

Die Energieforschung leistet einen wichtigen Beitrag. Nicht nur, wenn es darum geht, Grundlagen und Anwendungen zu entwickeln. Mit ihren Modellen und Ansätzen vermag sie es auch fundierte Aussagen zu künftigen Entwicklungen zu treffen und zu berechnen. Sie stellt Zusammenhänge her und vermag daraus Handlungsempfehlungen zu erstellen. Für die Gestaltung eines künftigen Energiesystems unerlässlich, da das Energiesystem an sich immer komplexer wird. Die einzelnen Bereiche, wie Energieerzeugung, -verteilung, – speicherung und -nutzung sind immer mehr miteinander verknüpft.

Einzelne Sektoren kennzeichnet komplexe Abläufe, unterschiedliche Technologien, Anwendungen, Akteure und Marktgegebenheiten. Stetig kommen neue Akteure, Technologien und Anwendungen hinzu. So dass künftig die Komplexität des Gesamtenergiesystems weiter steigt. Dem ist schwer Herr zu werden, auch und vor allem in Hinblick auf das Setzen eines passenden regulativen Rahmens. Eine weitere Herausforderung ein nachhaltiges Engiesystem zu gestalten ist, neue Marktmodelle mit den bestehenden in Einklang zu bringen.

Ein Blick in die Vergangenheit und in die Zukunft

Schaut man sich das frühere Energieversorgungssystem an, war alles – im Vergleich zum heutigen Energiesystem – ganz einfach. Es gab eine überschaubare Anzahl an Energieversorgern. Regionale und lokale Akteure waren für die Verteilung der Energie zuständig. Am Ende der Wertschöpfungskette stand der Verbraucher als Strom- und Wärmeabnehmer, der auf Monats- und Jahresbasis seine Energierechnungen zahlte.

Heute hingegen gibt es nicht nur unzählige Akteure als Energieanbieter, die aufgrund der Erneuerbaren in Erscheinung getreten sind. Verbraucher werden zu Energieerzeugern und umgekehrt. Die Rolle der sogenannten Prosumenten für ein künftiges Energiesystem wächst. Zugleich erzeugen die neuen Technologien und Innovationen neue Geschäftsfelder für Produkte und Serviceleistungen.

Somit wird die Anzahl der Akteure auf dem Spielfeld für ein nachhaltiges Energiesytem weiter zunehmen. Es wird neue Aufgabenbereiche geben, die es im bisherigen Energiesystem zur Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von Energie nicht gab. Es wird mehr Verknüpfungen und Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Bereichen im Energiesystems geben. All das birgt vielfältige Anforderungen für ein kommendes nachhaltiges Energiesystem in sich.

Gleichzeitig wächst der Handlungsdruck auf alle Akteure, ihre ökologischen Fußabdrücke zu mindern und die Folgen eines Klimawandels zu begrenzen. Im Hinblick darauf wächst die Bedeutung der Energieeffizienz. Mit entsprechenden Maßnahmen und Lösungen lassen sich Energieverbräuche reduzieren und Energie einsparen. Der Beitrag der Energieeffizienz ist demnach nicht zu unterschätzen. Auch hierfür stehen zahlreiche neue Anwendungen bereit und arbeiten Unternehmen an Lösungen. Die Anzahl der Baustellen im Energiesystem ist demnach groß.

Energiewende stellt umfassende Transformation dar

Mit der Energiewende ist ein umfassender Transformationsprozess in Gang gesetzt worden, der alle gesellschaftsrelevanten Bereiche betrifft. Für die Gesaltung des Prozesses und um ein nachhaltiges Energiesystem zu realisieren, sind weitreichende Entscheidungen nötig. Entscheidungen, die heute getroffen werden, haben Einfluss auf die Gestaltungs- und Handlungsspielräume nachkommender Generationen. Dies ist bei allen Entscheidungen zu berücksichtigen. Gleichzeitig befinden sich die Gestalter des Energiesystems auf unbekannten Terrain.

Viele ihrer Entscheidungen gehen mit Unsicherheit und Risiken einher. Die Energieforschung ist daher um so wichtiger, da sie hilft Erkenntnisse zu generieren, die Unsicherheit reduzieren und eine gute Basis sind, um Entscheidungen gut vorzubereiten. Sie folgt nicht nur kurzfristigen Betrachtungsweisen, sondern kann es sich leisten, über längere Zeiträume hinweg, einen Blick in die Zukunft zu werfen. Die Forschung schlechthin liefert Entscheidungshilfen für Transformationsprozesse und trägt damit zur Reduktion von Unsicherheit bei.

Forschung leistet wichtigen Beitrag für ein nachhaltiges Energiesystem

Die Jahrestagung des FVEE gab hierfür einen guten Überblick über Forschungsfelder aus dem Energysystem. Wissenschaftler der verschiedenen Mitgliedsinstitute des FVEE präsentierten Forschungshighlights, wie auch aktuelle Forschungsstände. Die Teilnehmer der Jahrestagung erhielten Einblicke in den Entwicklungsstand von Schlüsseltechnologien der Energiewende.

Es wurden Forschungsergebnisse aus den Bereichen Photovoltaik und Windkraft vorgestellt. Die Potenziale von Effizienztechnologien, Geothermie, Bioenergie, Wasserstoff-Technologien erläutert und Speichertechnologien sowie Wärme diskutiert. Zudem wurden die Anforderungen an zukunftsfähige Stromnetze erläutert. Darüber hinaus ging es um konkrete Gestaltungsinstrumente zur Transformation des Energiesystems hin zu einem nachhaltigen Energiesystem. Hierbei sind ebenso übergreifende Untersuchungen nötig, die sowohl technische als auch sozioökonomische Aspekte berücksichtigen.

Forschungshighlights und aktuelle Forschungsergebnisse

Die Photovoltaik und die Windenergie sind nach wie vor Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Energieversorgung. Hier wurden in den vergangenen Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Aber auch in den Bereichen Bioenergie, Erdwärme, erneuerbare Kraftstoffe und energieeffiziente Gebäude gab es zahlreiche Durchbrüche. Dennoch besteht großer Forschungsbedarf in all den Bereichen, um den Transformationsprozess eines nachhaltigen Energiesystems fundiert zu begleiten und Entscheidungshilfen für die Politik bereitzustellen.

Auf die wachsende Bedeutung der Sektorenkopplung wurde ebenfalls hingewiesen. Sie ist für ein Gelingen der Energiewende, das Erreichen der Klimaschutzziele und letztendlich den Wandel hin zu einem nachhaltigen Energiesystem entscheidend. Es braucht eine Vernetzung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr. Durch das Koppeln der Sektoren lassen sich höhere Anteile erneuerbarer Energien nutzen und kann das Stromnetz entlastet werden. Hierzu bedarf es Schnittstellenlösungen und regulativer Rahmenbedingungen, die eine Kopplung der Sektoren ermöglichen.

Einige Forschungshighlights in der Übersicht

Fortschritte bei der Photovoltaik

Die Stromgestehungskosten für Strom aus Sonne sind in den letzten Jahren drastisch gesunken. Inzwischen liegt der durchschnittliche Preis, in Abhängigkeit von Land und Region, für eine Kilowattstunde bei 6 bis 12 Cent/kWh. Grund dafür ist die kontinuierliche Verbesserung der Herstellungsverfahren der Solarmodule und die Verbesserung des Wirkungsgrades. Mit Blick auf die gegenwärtigen Entwicklungen wird erwartet, dass die Solarenergie zur günstigsten Energiequelle in den kommenden Jahrzehnten werden wird.

Fortschritte bei der Windenergie

Deutschland gehört zu den Spitzenreitern bei der Windenergienutzung nach China und den USA. Ende 2015 waren weltweit Anlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 430 GW installiert. In Deutschland davon über 43 GW. Die Windenergie ist ein bedeutender Wirtschaftsfaktor in diesem Land. Sie trägt mit einem Anteil von rund 14 Prozent zur Bruttostromerzeugung bei. Die Stromgestehungskosten liegen bei der Windkraft inzwischen bei 5 bis 11 Cent je Kilowattstunde in Abhängigkeit von Anlagengröße und Windstärke.

Durch Repowering lassen sich zudem bestehende Standorte noch besser nutzen und deren Leistung ausbauen. Repowering meint den Ersatz älterer Anlagen durch moderne Multimegawattanlagen. Auch die Offshore-Winderenergie hat deutlich zugelegt. Derzeit sind vor deutschen Küsten 3,5 GW installiert. Bis 2030 soll ihr Anteil auf 15 GW steigen.

Mit der Offshore-Windenergie lassen sich zwar deutlich höhere Erträge als an Land erzielen. Hemmschuh bilden die deutlich höheren Kosten. Sie liegen derzeit bei 11 bis 18 Cent die Kilowattstunde. Hinzu kommen größere technologische und logistische Anforderungen. Dennoch wird erwartet, dass auch im Bereich der Windenergie an Land und auf See Kostensenkungspotenziale realisiert werden können. Branchenexperten rechnen hier mit 25 bis 30 Prozent bis zum Jahr 2030.

Fortschritte bei der Batterie- und Speicherforschung

Speichersysteme sind ein Schlüsselelement für die Energiewende und Energieversorgung durch Erneuerbare Energien. Sie sind eine Systemkomponente für ein künftiges nachhaltiges Energiesystem, denn sie ermöglichen eine bedarfsgerechte Bereitstellung und Nutzung von Energie. Durch sie werden Schwankungen bei der Stromversorgung durch Photovoltaik und Windenergie ausgeglichen. Sie können ebenso zur Steigerung der Energieeffizienez beitragen.

Es stehen unterschiedliche Speichersysteme und -formen zur Verfügung. Dazu zählen:

  • Mechanische Speicher, wie beispielsweise Druckluft- und Pumpspeicherwerke
  • Elektrochemische Speicher, wie beispielsweise Bleisäurebatterien, Lithium-Ionen-Batterien, Redox-Flow-Batterien
  • Thermische Speicher, wie beispielsweise Niedertemperatur- und Hochtemperaturspeicher, Thermochemische Speicher
  • Chemische Speicher, beispielsweise aus Wasserstoff/Methan

Speichertechnologien bieten erhebliche Marktpotenziale. Der breitenwirksame Einsatz von Speichertechnologien steht derzeit noch am Anfang. Sich diesem Potenzial anzunehmen, wird Aufgabe der kommenden Jahre sein.

Fortschritte in anderen Bereichen und Sektoren

Da an dieser Stelle nicht alle Entwicklungen und Forschungsfortschritte dargestellt werden können, werden hier die einzelnen Forschungsbereiche benannt, die für die Transformation eines nachhaltigen Energiesystems eine zentrale Rolle spielen:

Forschungsfelder zur Energiebereitstellung:

  • Photovoltaik (Strom aus Sonne)
  • Solarthermische Kraftwerke und Hochtemperatur-Solarthermie (Strom- und Prozesswärme)
  • Niedertemperatur-Solarthermie (Wärme)
  • Windenergie
  • Bioenergie (Strom, Wärme, Kraftstoffe)
  • Geothermie (Strom, Wärme, Kälte)
  • Umweltwärme
  • Wasser- und Meeresenergie

Forschungsfelder zur Energieverteilung:

  • Stromnetze
  • Wärmenetze
  • Sektorkoppelung
  • Smarte Technologien
  • Speichertechnologien

Forschungsfelder zur Energiewandlung:

  • Brennstoffzellen
  • Erneuerbarer Wasserstoff
  • Wärmepumpen und Kühlung
  • Wärme in Strom
  • Gasturbinen

Forschungsfelder zur Energienutzung:

  • Energieeffizienz in Gebäuden
  • Energieeffiziente Quartiere und Städte
  • Energieeffizienz in Industrie, Handel, Gewerbe und Dienstleistungen
  • Mobilität

Forschungsfelder zur Energiesystemgestaltung:

  • Systemanalyse und Technologiebewertung
  • Akzeptanz- und Transformationsforschung
  • Energiewirtschaft
  • Transferprozesse
  • Energiegründungen und Geschäftsmodelle
  • Energiepolitik und Energierecht

Fazit:

Mit der Energiewende wird der Wandel hin zu einem nachhaltigen Energiesystem möglich gemacht. Zugleich geht sie mit umfassenden Veränderungen einher. Diese betreffen alle Bereiche unserer Gesellschaft. Die Energiewende hat bereits zu umfangreichen Veränderungen geführt. Dennoch stehen wir erst am Anfang der Transformation.

Die nächste Phase der Energiewende erfordert ein stärker auf die einzelnen Sektoren abgestimmtes Verhalten. Letztendlich besteht die Aufgabe darin, selbst in einem dezentralen Energiesystem das System zu einer Einheit hin zu einem nachhaltigen Energiesystem zusammenzuführen.

Das wird Aufgabe der kommenden Jahre sein. Es stellt an alle beteiligten Stakeholder große Anforderungen. Die Wissenschaft kann diesen Wandel begleiten und Unterstützung beim Transformationsprozess leisten. Sie hilft bei weitreichenden Entscheidungen und bei der Integration einzelner Bereiche in ein Gesamtsystem. Sie hilft bei der Schaffung eines integrierenden Rahmens für die Gestaltung eines künftigen Energiesytems.

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Quellen: World Wind Energy Association windmonitor , International Energy Agency , ForschungsVerbund Erneuerbare Energien

Katja Reisswig

Katja Reisswig ist promovierte Sozial- und Wirtschaftswissenschaftlerin. Sie ist Gründerin des branchenübergreifenden B2B-Portals technewable.com für Akteure der grünen Wirtschaft. Ziel des Portals ist, grüne Lösungen und Technologien bekannter zu machen, grüne Akteure miteinander ins Gespräch zu bringen und den Transfer hin zu einer grünen Wirtschaft kommunikativ zu begleiten.