Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem

In der Studie „Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem“ werden verschiedene Wege zum Erreichen der Klimaneutralität in Deutschland bis zum Jahr 2045 untersucht. Dabei werden gesellschaftliche und geopolitische Entwicklungen in vier Szenarien abgebildet und die Transformation des Energiesystems auf Bundeslandebene betrachtet.

Die Studie des Fraunhofer-Instituts liefert Erkenntnisse über den erforderlichen Umfang der Energiewende sowie über technische und wirtschaftliche Methoden zur Absicherung des politisch vorgegebenen Ziels. In der Studie hat das Fraunhofer-Institut die politischen Zielvorgaben des Klimaschutzgesetzes von 2021, das die Treibhausgasneutralität Deutschlands bis zum Jahr 2045 vorschreibt, detailliert ausgearbeitet.

https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/wege-zu-einem-klimaneutralen-energiesystem.html

https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/ISE_WegeKlimaneutralEnergiesystem_final.pdf

Zusammenfassung der Studie:
Als Schlussfolgerungen aus der Studie gelten:
1. Das Strom- und Wasserstoffnetz muss ausgebaut werden, um Energie von Bundesländern mit hohem Potenzial an Erneuerbaren Energien in Bundesländer mit hoher Endenergienachfrage zu transportieren.
2. Der Ausbau der Erneuerbaren Energien ist zwingend notwendig. Insbesondere die Windenergie ist wichtiger Bestandteil und muss in allen Bundesländern ausgebaut werden. Windenergie und Photovoltaik sind die zentralen Stützen der Energiewende. In einem der untersuchten Szenarien beträgt der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung im Jahr 2045 60 %, der Anteil des PV-Stroms 30 %.
3. Onshore-Windkraftanlagen sollte sich gemäß den Berechnungen bis 2030 im Vergleich zu heute in allen Regionen verdoppeln. Im Jahr 2045 wird ein Kapazitätsbedarf von Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen von rund 290 GW ermittelt. Die installierte Kapazität an Photovoltaik sollte bis zum Jahr 2045 auf rund 420 GW erhöht werden.

Im weiteren Szenario liegt in den Sektoren Gebäude, Verkehr und Industrie der Schwerpunkt auf der direkten Elektrifizierung. Wärmepumpen und batterieelektrische Fahrzeuge sind zentrale Technologien auf dem Weg zur Klimaneutralität.
Bis zum Jahr 2045 steigt der Anteil an Wärmeumpen in Gebäuden auf über 50 %, im Individualverkehr werden fast ausschließlich batterieelektrische Fahrzeuge eingesetzt und der Elektrifizierungsgrad in der Industrie steigt auf 72 %. Wasserstoff und Wasserstoffderivate werden nur dort eingesetzt, wo eine direkte Elektrifizierung nicht möglich ist. Dennoch ist der Ausbau einer heimischen Wasserstoffproduktion aufgrund des zukünftig hohen Bedarfs dringend erforderlich.

Aus technischer Sicht sind ambitioniertere Klimaziele durch eine effizientere Transformation und Energienutzung möglich. Dazu ist ein konsequenterer Ausbau Erneuerbarer Energien nötig, der zum Beispiel durch vereinfachte Genehmigungsverfahren beschleunigt werden kann. Zusätzlich wird in diesem Szenario durch Verhaltensänderungen Energie eingespart, indem bewusster und sparsamer geheizt wird, Individualverkehr hin zu öffentlichen Verkehrsmitteln verlagert wird und durch zusätzliche Investitionen zur Effizienzsteigerung der Prozesswärmebedarf der Industrie reduziert wird.

Wasserstoff wird vor allem für Hochtemperaturprozesse und zur stofflichen Nutzung in der Industrie benötigt. In einem Szenario sollen im Jahr 2045 244 TWh Wasserstoff importiert und 126 TWh heimisch, insbesondere im Norden Deutschlands, erzeugt. Neben der Bereitstellung von Wasserstoff haben Elektrolyseure einen systemdienlichen Effekt, da sie flexibel in Zeiten mit hoher Verfügbarkeit von Erneuerbaren Energien betrieben werden. Darüber hinaus kann in Zeiten von Strommangel und Dunkelflauten Wasserstoff in flexiblen Kraftwerken zur Deckung der Stromnachfrage beitragen. Neben dem Aufbau eines nationalen Wasserstoffnetzes sind saisonale Speicherkapazitäten für H2 von 130 TWh notwendig.
Zusätzlich können Großwärmespeicher Wärme zwischenspeichern.

Im Stromsystem ist ein Paradigmenwechsel zu einem flexibleren Betrieb geboten. Neben dem Netzausbau und zusätzlichen Speichern kann dies durch eine flexible Nachfrage über Elektrolyse insbesondere in windreichen Bundesländern und eine flexible Spitzenlastdeckung über Gas- und Wasserstoffturbinen in industriestarken Bundesländern unterstützt werden.
Die Differenzkosten für die Transformation im Vergleich zum Fortschreiben des heutigen Systems wurden in einem der behandelten Szenarien im Mittel über die nächsten 25 Jahre auf rund 54 Mrd. € pro Jahr. angesetzt.

Treibhausgas-Emissionen
Alle vier untersuchten Szenarien eint das Ziel, die Treibhausgasneutralität in Deutschland bis zum Jahr 2045 zu erreichen. Dazu werden zwei zentrale Rahmenbedingungen gemäß den Vorgaben des Klimaschutzgesetzes (KSG) festgelegt: Erstens muss das nationale CO2-Budget2 von 8 Gt CO2-Äq für den Zeitraum von 2023 bis 2045 eingehalten werden. Zweitens müssen die jährlichen Emissionsgrenzwerte des Klimaschutzgesetzes eingehalten werden. Dies erfordert eine Reduktion der CO2-Emissionen um 65 % bis 2030, um 88 % bis 2040 und eine vollständige Eliminierung der Emissionen ab 2045 im Vergleich zu den Emissionen des Jahres 1990.

Import synthetischer Energieträger
Zur Erreichung der Klimaneutralität können nachhaltige, also CO2-neutral produzierte Energieträger wie Wasserstoff, SynCH4 (synthetisches Methan) und SynFuel (synthetischer Flüssigkraftstoff) zukünftig eine wichtige Rolle einnehmen.

Stromnachfrage
Auch in der „klassischen“ Stromnachfrage sind weiterhin Einsparungen durch Effizienzsteigerungen, beispielsweise in der Beleuchtung und der Nutzung von mechanischer Energie, zu erwarten. Jedoch sind durch eine steigende Stromnachfrage in der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), durch Anstieg des Kühlungsbedarfs aufgrund steigender Außentemperaturen oder aufgrund von Verlagerungen im Verkehrssektor von der Straße zur Schiene zusätzliche Strombedarfe wahrscheinlich. Es wird daher angenommen, dass die klassische Stromnachfrage auch zukünftig auf dem heutigen Niveau von 390 TWh/Jahr verbleibt.

Eigene Bewertung:
Um die politisch vorgegebenen, ambitionierten energiepolitischen Ziele bis zum Jahr 2045 zu erreichen, wären umfangreiche Umbaumaßnahmen im Energiesektor erforderlich, die von tiefgreifenden gesellschaftlichen Anpassungen begleitet werden müssten. Eine politisch auferzwungene Zielsetzung dieser Art ist in der Praxis jedoch weder finanziell noch gesellschaftlich oder technisch realisierbar.