Auf dem Weg zu Net Zero (Netto-Null): Entwicklung von flexiblen Energiesystemen

Der jüngste Blogpost in unserer Reihe im Vorfeld zu COP26 befasst sich mit den Herausforderungen, die die Dekarbonisierung in Bezug auf die Kosten, die Stabilität und die Versorgungssicherheit des Energiesystems mit sich bringt, und mit der Frage, wie diese Hindernisse überwunden werden können.

19 November 2021
Laura Glover
Laura Glover
Senior Manager, Energy Transition, The Carbon Trust
Electricity pylon surrounded by trees

Das Engagement für eine Net Zero-Wirtschaft hat sich in letzter Zeit zweifellos beschleunigt, da sich Regierungen auf der ganzen Welt verpflichtet haben, die CO2-Emissionen zu reduzieren oder bis 2050 eine Net Zero-Wirtschaft zu erreichen. Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, ist zweifellos ein Wandel im gesamten globalen Energiesystem erforderlich, der bereits im Gange ist. Es werden Ziele für die Dekarbonisierung von Strom, Verkehr und Wärme gesetzt, vom Verbot des Verkaufs neuer Benzin- und Dieselfahrzeuge bis zur Stilllegung von Kohlekraftwerken. In der Zwischenzeit werden technische Lösungen zur Dekarbonisierung des Energiesektors in unterschiedlichem Ausmaß rasch umgesetzt. Dazu gehören die Nutzung variabler erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung anstelle von Kohle und Gas, Wasserstoff für den Antrieb von Zügen, die Umstellung auf neuartige Wärmetechnologien wie Wärmepumpen und wasserstoffbetriebene Heizkessel sowie der Übergang zu Elektrofahrzeugen. Aber dennoch gibt es Grenzen.

Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge beispielsweise führen zu erheblichem zusätzlichen Bedarf im Energienetz. Dies führt zu Engpässen im Netz, da unsere bestehenden Netze nicht für diese neue Nachfrage gebaut wurden. Hinzu kommt, dass die Nutzung variabler erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie die Flexibilität des Stromsystems einschränkt, da die variable Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Gegensatz zu konventionellen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken nicht so einfach an die Nachfrage angepasst werden kann. Energie wird erzeugt, wenn der Wind weht und die Sonne scheint, aber nicht unbedingt genau dann, wenn wir unsere Autos aufladen oder unsere Häuser heizen müssen.

Diese Probleme verschärfen sich in den meisten Schwellenländern, vor allem in Asien und Lateinamerika, wo die Dekarbonisierung bisher langsamer vonstatten ging und jetzt ein schnellerer Übergang als in den Industrieländern erforderlich ist, wenn die globale Erwärmung unter 1,5 °C bleiben soll. Die dortigen, derzeitigen Energiesysteme sind oft noch stark von Kohle- und Dieselgeneratoren abhängig, die eine konstante Energieversorgung gewährleisten. Dieser niedrigere Ausgangspunkt für die Erreichung von Net Zero ist jedoch mit einer steigenden Energienachfrage verbunden, da sich der Lebensstandard verbessert, wodurch die Herausforderung noch größer wird. Da die Versorgungssicherheit in diesen Regionen eine Priorität ist, wirkt sich die Unsicherheit darüber, wie ein variables, auf erneuerbaren Energien basierendes System betrieben werden kann, auf ihre Bestrebungen zur Dekarbonisierung aus. Aus diesem Grund wird in den nationalen Energieplänen einiger Länder in diesen Regionen für die nächsten 10 bis 20 Jahre immer noch der Ausbau der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen prognostiziert, obwohl weithin anerkannt wird, dass CO2-arme Stromerzeugungstechnologien wie Wind- und Solarenergie kostengünstiger sind. Der Mangel an Fachkenntnissen, Lieferketten und Finanzmitteln für die CO2-ärmeren Energieoptionen, die für den Betrieb eines sauberen, sicheren und zuverlässigen Systems erforderlich sind, behindert ebenfalls die Umstellung. 

Ohne Flexibilität kann Net Zero nicht erreicht werden 

Die Einführung einer größeren Flexibilität im Energiesystem ist der Schlüssel zur Lösung dieser Herausforderungen, nicht nur in den reichsten Ländern, sondern weltweit. Flexibilität kann definiert werden als die Änderung des Energieangebots oder -verbrauchs als Reaktion auf ein Marktpreissignal, um einen Nutzen für das Gesamtsystem zu erzielen. Manchmal können diese Aktionen sehr kurzfristig sein, sogar nur eine Frage von Sekunden. Das könnte zum Beispiel bedeuten, dass eine Batterie eingesetzt wird, um Schwankungen in der Windenergieerzeugung auszugleichen. Ein Beispiel für eine längerfristige Lösung ist die saisonale Speicherung von Sonnenenergie aus dem Sommer, die dann an kalten, dunklen und windstillen Wintertagen zur Beheizung unserer Häuser genutzt werden kann. 

Diese Flexibilität kann sich aus vier verschiedenen Quellen speisen: flexible Stromerzeugung, Stromspeicher, Flexibilität auf der Nachfrageseite und eine stärkere Vernetzung mit anderen Ländern oder Staaten, die die gemeinsame Nutzung von Ressourcen ermöglicht. Bei unserer Arbeit haben wir festgestellt, dass eine Kombination aus allen vier Quellen die niedrigsten Gesamtkosten verursacht - was letztlich bedeutet, dass wir mit geringeren Kosten Net Zero erreichen. Flexibilität ist so etwas wie die Fahrgemeinschaft der Energiewelt. Wir brauchen genügend Einzelfahrzeuge in unserer Fahrgemeinschaft, um die Nachfrage zu decken, aber wir wollen, dass jedes Auto so viel wie möglich genutzt wird, um die Kosten für alle zu senken. Genauso wie Fahrgemeinschaften eine höhere Auslastung der einzelnen Fahrzeuge ermöglichen und damit die Notwendigkeit, weniger Autos zu kaufen, ermöglicht uns die Flexibilität eine bessere Auslastung unserer erneuerbaren Energieerzeugung und unserer Netzinfrastruktur, indem wir die Nachfrage an die verfügbare Erzeugung anpassen und die Belastung unseres Netzes ausgleichen. Außerdem sorgt sie für mehr Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems und ist gleichzeitig die Werkstätte, die unsere Fahrgemeinschaft vor Pannen bewahrt.

Diese Vorteile haben große wirtschaftliche Auswirkungen. Im Vereinigten Königreich beispielsweise analysierte unser Joint Industry Project (gemeinsames Industrieprojekt) „Flexibility in Great Britain“ den Wert des Einsatzes von Flexibilität auf Systemebene in den Sektoren Wärme, Verkehr, Industrie und Strom in Großbritannien.  Die Ergebnisse zeigen, dass ein vollständig flexibles Energiesystem das Potenzial hat, bis 2050 materielle Nettoeinsparungen zwischen GBP 9,6 Mrd. und GBP 16,7 Mrd. pro Jahr zu erzielen. Die Analyse wurde im Plan 2021 für intelligente Systeme und Flexibilität des Ministeriums für Wirtschaft, Energie und Industriestrategie der britischen Regierung (Smart Systems and Flexibility Plan) hervorgehoben. Auch in anderen Teilen der Welt hat unsere Arbeit gezeigt, dass die Flexibilität auf der Nachfrageseite es dem kolumbianischen Elektrizitätssystem ermöglichen könnte, bis 2040 vollständig dekarbonisiert zu werden, was bis 2040 zu potenziellen Einsparungen von rund USD 730 Mio. pro Jahr führen würde. Diese einflussreiche Analyse trug dazu bei, dass die kolumbianische Regierung beschloss, für die COP26 in Glasgow einen verbesserten Nationalen Festgelegten Beitrag zu leisten. 

Um ein flexibles, CO2-armes Energiesystem zu ermöglichen, ist ein „systemübergreifender“ Ansatz erforderlich

Unabhängig vom Standort ist es von Vorteil, bei der Entwicklung eines flexiblen, CO2-armen Energiesystems das gesamte System im Blick zu haben. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkungen, Interdependenzen und Auswirkungen jeder Entscheidung, die im gesamten Sektor getroffen wird, berücksichtigt werden müssen, und zwar nicht nur bei technischen Entscheidungen, sondern auch in Bezug auf Politik, Regulierung und Märkte. Die Ermöglichung von Flexibilität bedeutet eine weitreichende Änderung bestehender Prozesse und Strategien in einer Zeit großer Unsicherheit. Es gibt jedoch einige Entscheidungen, die unabhängig davon getroffen werden können, was zum Beispiel mit den relativen Kosten von Wasserstoffheizkesseln gegenüber Wärmepumpen geschieht.

Beispiele dafür sind:

  • Technisch: Flexibilität sollte bei der Netzplanung und beim Netzbetrieb den gleichen Stellenwert haben wie CO2-arme Erzeugung. Dazu gehört die Erleichterung einer stärkeren Digitalisierung des Energiesystems, die eine Echtzeit-Koordinierung zwischen den Anlagen ermöglicht, damit diese synchron arbeiten und das gesamte System profitieren kann. Sie sollte auch die Entwicklung von Lösungen einschließen, die in den Bereichen Verkehr, Wärme und Strom funktionieren, wie z. B. Wasserstofftechnologien und die Nutzung von Wärme- und Verkehrsanlagen in virtuellen Kraftwerken.
  • Politik: Ein systemübergreifender Ansatz bedeutet, dass politische Maßnahmen – in den Bereichen Verkehr, Wärme und Strom – nicht isoliert getroffen werden können. Wir brauchen eine Koordinierung zwischen den Dekarbonisierungsstrategien für diese Bereiche, um sektorübergreifende Lösungen zu ermöglichen und den Bedarf an Flexibilität von Anfang an zu berücksichtigen.
  • Regulierung: Ein klares, branchenweit einheitliches Regulierungsumfeld ist erforderlich, z. B. in Bezug auf Kommunikationsprotokolle und Cybersicherheitsanforderungen, damit alle Energie verbrauchenden oder erzeugenden Technologien reibungslos miteinander kommunizieren können und die Netzbetreiber einen Überblick über die Belastung ihrer Netze erhalten. 
  • Energiemärkte: Die Preissignale des Marktes müssen genau diejenigen Akteure belohnen, die das System verbessern. Dies erfordert auch eine wirksame Koordinierung zwischen den Marktteilnehmern, um den Einsatz von Flexibilität nicht nur zum eigenen Nutzen, sondern auch zum Nutzen des gesamten Systems zu unterstützen.
  • Einbindung der Verbraucher: Bei der Einführung von Flexibilität müssen die Nutzer in allen Phasen der Einführung berücksichtigt werden. Das Verständnis der Bedürfnisse der Verbraucher, die Ausarbeitung geeigneter Erklärungen für die verschiedenen Verbrauchertypen und der Einbau dieser Erklärungen in das Nutzererlebnis werden der Schlüssel für eine erfolgreiche Einführung der Nachfragesteuerung, des intelligenten Ladens von Elektrofahrzeugen und der Nutzung von Wärmespeichern sein. Wir müssen die Ubers und Airbnbs der Energiewelt aufbauen und es den Verbrauchern leicht machen, sich zu engagieren und davon zu profitieren. 

Es ist von entscheidender Bedeutung, jetzt zu handeln, um eine kosteneffiziente, robuste und umweltfreundliche Energiewende zu beschleunigen.

Weltweit wird die derzeitige Verpflichtung zu einem Net Zero-Energieverbrauch nur dann möglich und kosteneffizient sein, wenn Maßnahmen zur Förderung der Energieflexibilität getroffen werden, die ein vollständig integriertes und dynamisches Energiesystem ermöglichen. In Ländern, die bei der Dekarbonisierung ihrer Wirtschaft schon weiter fortgeschritten sind, wird die Flexibilität es ihnen ermöglichen, die Preisvolatilität zu verringern und übermäßige Ausgaben für die Erreichung von Net Zero zu vermeiden. In Ländern, die noch stark von fossilen Brennstoffen abhängig sind, können CO2-arme Quellen der Flexibilität die derzeitigen Pläne für den schrittweisen Ausstieg aus der Kohle beschleunigen und gleichzeitig die Gesamtinvestitionen verringern, die für den Ausbau oder die Verstärkung ihrer Energienetze erforderlich sind, um die wachsende Nachfrage zu decken. So wird es diesen Ländern gelingen können, bei ihren Dekarbonisierungszielen und -ambitionen mutiger zu sein, ohne das Wirtschaftswachstum möglicherweise zu gefährden.