Aktuell / 04.12.2013

Kosteneffiziente Wege zur Energiewende

Nutzung von solarthermischer Prozesswärme in einer Wäscherei ©Fraunhofer ISE

Wie die energiebedingten CO2-Emissionen kostenoptimiert um 80 Prozent reduziert werden können, beantwortet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Simulationsmodell „Energiesystem Deutschland 2050“.

Im Ergebnis wächst die Bedeutung des Energieträgers Strom. Die Kraft-Wärme-Kopplung in Verbindung mit Wärmespeicherung gewinnt an Bedeutung. In allen Verbrauchssektoren müssen Optionen zur Aufnahme von Stromüberschüssen erschlossen werden.

Energiesystem auf Basis Erneuerbarer wird nicht teurer

Die Forscher des Fraunhofer ISE haben ihr 2012 vorgestelltes „Regeneratives Energien Modell Deutschland“ (REMod-D) mittlerweile auf alle Verbrauchssektoren erweitert. Strom, Wärme, Mobilität sowie Prozesse in Industrie und Gewerbe werden damit abgebildet. Mit dem erweiterten Modell lassen sich verschiedene technische Optionen simulieren, wie das Energiesystem in Deutschland im Jahr 2050 aussehen kann. Im ersten Szenario untersuchten die Wissenschaftler dabei die Zielvorgabe einer 80-prozentigen Reduzierung der CO2-Emissionen gegenüber dem Stand von 1990. Im zweiten Szenario geht es um eine 95-prozentige Senkung.
„Unser Ziel war es, ein Modell zu entwickeln, mit dem wir die Frage beantworten können, mit welcher Zusammensetzung des Energiesystems wir das übergeordnete Ziel der Energiewende – eine drastische Senkung der Treibhausgas-Emissionen – zu möglichst geringen Gesamtkosten erreichen können“, erläutert Dr. Hans-Martin Henning, stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter für Thermische Anlagen und Gebäudetechnik beim Fraunhofer ISE.
Ein Ergebnis stellt er vorweg: „Ist der Umbau der Energieversorgung vollzogen, so sind die jährlichen Gesamtkosten für die Volkswirtschaft in der gleichen Größenordnung wie für unsere heutige Energieversorgung. Ein überwiegend auf erneuerbaren Energien basierendes Energiesystem wird nicht teurer sein als unser aktuelles.“ Dabei sind die voraussichtlichen mittelfristigen Preissteigerungen bei fossilen Energieträgern bis 2050 noch nicht berücksichtigt.

Das Fraunhofer ISE wird mit jährlichen Berichten auf Basis der Ergebnisse des Modells REMod-D die Energiewende in Deutschland und die schrittweise Veränderung des Energiesystems kontinuierlich begleiten. Das Projekt ist eigenfinanziert. Die nächsten Erweiterungen des Modells betreffen den Gebäudesektor. Dabei geht es um eine stark vereinfachte Typisierung von Gebäuden und deren Versorgungskonzepten mithilfe von Kostenkurven.

Energieträger Strom wird wichtiger

Durch den weiteren Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wird die Bedeutung des Energieträgers Strom sowohl bei der Wärmeversorgung von Gebäuden (Raumheizung und Warmwasser) als auch im Verkehr zunehmen. Die Forscher denken in erster Linie an einen höheren Marktanteil elektrisch betriebener Wärmepumpen im Gebäudebereich. Daneben plädieren sie für einen moderaten Ausbau von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen in Wärmenetzen. Diese Aggregate sollen stromgeführt und im Verbund mit großen Wärmespeichern betrieben werden. So können die Kleinkraftwerke mit Kombiprozess, auch unabhängig vom aktuellen Wärmebedarf, Strom produzieren und damit temporäre Flauten bei der Stromerzeugung aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen ausgleichen.
Um die zeitweisen Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien zu nutzen, sind nach Ansicht der Forscher sektorübergreifende Maßnahmen zur Optimierung des Gesamtsystems notwendig. Gesucht werden technische Möglichkeiten, um einen Teil dieser Überschüsse in Privathaushalten, der Industrie und im Verkehr zu verwenden.

Netzreaktive Gebäude im intelligenten Stromnetz

Ein weiteres Forschungsteam unter Führung des Fraunhofer ISE entwickelt Konzepte, wie Gebäude in einem intelligenten Netz netzdienlich betrieben werden können. Das 2012 angelaufene Forschungsprojekt „Netzreaktive Gebäude“ soll demonstrieren, wie sich Gebäude als steuerbare Energieverbraucher und thermische Speicher in einem zukünftigen intelligenten Netz verhalten und zur Netzstabilität beitragen können. Bei der Untersuchung wird das integrale energiewirtschaftliche Modell REMod-D verwendet.

Das Forschungsteam entwickelt angepasste Regelungs- und Betriebsführungskonzepte, die ein erhöhtes lokales Lastmanagement ermöglichen. „Wir entwickeln Gebäudekonzepte, die Stromnetze möglichst gering belasten und zur Netzstabilisierung beitragen sollen. Zudem ist die verstärkte Eigennutzung von lokal erzeugtem Strom aus Photovoltaik ein weiteres Ziel“, erläutert Projektkoordinatorin Dr. Doreen Kalz vom Fraunhofer ISE.

Dabei wird der Betrieb von elektrischen Wärmepumpen und Kältemaschinen netzdienlich gestaltet. Um die Interaktion von Gebäuden mit dem Stromnetz zu bewerten, untersuchten die Forscher unterschiedliche stromnetzbezogene Größen im Hinblick auf ihre zeitliche Struktur, Schwankungsbreiten sowie tages- und jahreszeitlichen Besonderheiten. Die Untersuchungen des Teams zeigen, dass der Betrieb von elektrischen Wärmepumpen im Heizfall nach dem EEX-Preis und der Residuallast im Versorgungsnetz optimiert werden kann. Im Kühlfall lässt sich durch einen optimierten Betrieb von Kältemaschinen in Zeiten mit hohen Anteilen regenerativen Stroms im Versorgungsnetz besonders der Primärenergiebezug reduzieren.

Speicher in Nichtwohngebäuden heute noch zu klein

Außerdem betrachteten die Projektpartner, wie mit großen Wärmespeichern und der thermischen Masse der Gebäudestruktur eine Lastverschiebung realisiert werden kann. Die Untersuchungen ergeben, dass heutige Speichersysteme in Nichtwohngebäuden deutlich zu klein dimensioniert sind, um in der Heizperiode eine ausreichende Lastverschiebung zu ermöglichen. Weiterführende Arbeiten beschäftigen sich mit der optimalen Dimensionierung von Speichern, deren Integration in Gebäude sowie der effizienten Aktivierung der thermischen Gebäudemasse zur Lastverschiebung.

Am Projekt, das noch bis 2016 andauert, sind neben den Fraunhofer Instituten für Solare Energiesysteme (ISE) und Bauphysik (IBP) auch das Eon Energy Research Center der Universität Aachen beteiligt. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Projekt innerhalb der Forschungsinitiative EnEff:Stadt.

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Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben LowEx:

Netzreaktive Gebäude

Projektbeteiligte:

Laufzeit: 2012 - 2016

Förderkennzeichen: 03ET1111A,B

Weitere Informationen

Studie

Energiesystem Deutschland 2050 – Sektor- und Energieträgerübergreifende, modellbasierte, ganzheitliche Untersuchung zur langfristigen Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen durch Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien