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So teuer wird die Energiewende

Was es kostet, unser Energiesystem bis 2050 so umzubauen, dass wir die Pariser Klimaschutzziele erreichen, haben Forscher vom Forschungszentrum Jülich ausgerechnet. Trotz der hohen Gesamtsumme meinen sie, dass es sich am Ende lohnen wird.

Deutschland im Jahr 2050: Der Stromverbrauch hat sich vervielfacht. Doch der Strom kommt komplett aus regenerierbaren Quellen. Wind, Sonne, Wasser und Biomasse versorgen die Bundesrepublik mit Energie. Was nicht durch die Stromleitungen fließt, wird in Wasserstoff umgewandelt – den Energieträger, der nun alle Sektoren versorgt. Die Infrastruktur, die dazu aufgebaut werden muss, ist gewaltig. Angefangen von unzähligen Windrädern und Solaranlagen über große Trassen, die ihn transportieren bis zu Großanlagen, in denen Wasserstoff erzeugt und gespeichert wird. Nur so ließe sich das Ziel, die Treibhausgasemissionen bis 2050 um 95 Prozent zu reduzieren erreichen. Deutlich anders sähe es aus, wenn eine Reduktion um 80 Prozent das Ziel sein soll. Dann steigt der Stromverbrauch nur um die Hälfte. Erdgas lässt uns die Dunkelflaute überstehen und Wasserstoff spielt nur in Verkehr und Industrie eine Rolle. 

Das ist ein Teilergebnis einer Studie des Forschungszentrums Jülich (FZJ). Die Wissenschaftler ließen auf den Supercomputern des Zentrums die zwei Szenarien berechnen: Senkung des CO2-Ausstoßes bis Jahr 2050 um 80 Prozent und um 95 Prozent. Die wichtigste Erkenntnis fasst Detlef Stolten vom Institut für Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3) zusammen: „Wir konnten zeigen, dass sich der CO2-Ausstoß bis 2050 um 95 Prozent verringern lässt und das zu sehr ertragbaren Kosten.“ Insgesamt 655 Milliarden Euro würden die Energiewende im 80 Prozent-Szenario kosten. Auf die kommenden 30 Jahre verteilt, wären das rund 0,4 Prozent des Bruttoinlandsprodukts (BIP) pro Jahr. Das 95 Prozent-Szenario würde mit 1,85 Billionen Euro zu Buche schlagen. Das entspricht etwa 1,1 Prozent des jährlichen BIP. Außerdem fassten die Wissenschaftler acht Eckpunkte einer kostenoptimalen Energiewende zusammen:

Die Weichen müssen heute gestellt werden: Wie am kostengünstigsten CO2 eingespart werden kann und auf welche Technologien dabei gesetzt werden sollte, darin unterscheiden sich das 80 Prozent- und das 95 Prozent-Szenario erheblich voneinander. Schon heute sollte daher entschieden werden, was bis 2050 erreicht werden soll.

Strom ist das neue Öl: Gemeinsam haben beide Szenarien, dass sie den Stromverbrauch in die Höhe treiben werden – während dieser im 80 Prozent-Szenario um die Hälfte zum heutigen Wert steigt, sind es im 95 Prozent-Szenario sogar über 80 %.

Deutschland ist Windland: Der Strom wird dabei regenerativ erzeugt. Das mit Abstand größte Potenzial, den Bedarf zu decken, hat dabei die Windkraft.
Spare in der Zeit: Am effizienten Umgang mit Energie wird trotzdem kein Weg vorbeiführen. Vor allem weil die Energieerzeugung in den kommenden Jahren noch einen hohen CO2-Fußabdruck haben wird, sollten Industrie, Verkehr und der Gebäudesektor schnell mit Energieeffizienzmaßnahmen beginnen.

Warm einpacken: Beiden Szenarien schreien nach einer Wärmewende. Gebäude müssen energetisch saniert werden und die Wärmepumpe wird dabei eine Schlüsselrolle einnehmen.

Koppelt die Sektoren: Power to X, also überschüssigen erneuerbaren Strom in andere Energieformen zu wandeln, wird wichtig sein und die Wasserstoffnachfrage kräftig ankurbeln. Eine geeignete Infrastruktur zum Erzeugen, Transportieren und Speichern des leichtesten aller Gase ist deshalb eine Notwendigkeit.

Weniger Importe: alle Maßnahmen zusammen würden dazu führen, dass Deutschland wesentlich weniger Energie importieren muss als heute. Ganz ohne Import – zum größten Teil grüner Wasserstoff aus sonnen- oder windreichen Ländern – geht es aber vor allem im 95 Prozent-Szenario nicht, da dann auch synthetische Treibstoffe eine größere Rolle spielen werden.

Mit dem Strom fahren: Akkus oder Brennstoffzellen sollen in den allermeisten Fällen die PKWs der Zukunft mit Energie versorgen. Auch der Wechsel von der Straße auf die Schiene ist ein wichtiger Teil der Strategien beider Szenarien.

Hinter den Berechnungen stehen fünf Jahre Entwicklungszeit. Rund 30 Mitarbeiter und viele Doktoranden haben eine ganz neue Modellwelt aufgebaut. Wie diese aussieht, erklärt Martin Robinius. Er leitet die Abteilung Prozess- und Systemanalyse am IEK-3 in Jülich. „Wir haben beispielsweise ein europäisches Stromnetzmodell geschaffen, ein Modell für eine deutsche Wasserstoffinfrastruktur oder ein Modell für Windkraftanlagen.“ Bei Letzterem haben er und seine Kollegen Restriktionen wie Abstandsregelungen zu Siedlungen, die Lage von Naturschutzgebieten oder Flüsse berücksichtigt. Denn überall dort sind Windkraftanlagen tabu oder technisch nicht umsetzbar. Dazu haben die Wissenschaftler die Wetterdaten der vergangenen 37 Jahre gegeben. Eine Karte der Potenzialregionen für die Windenergie entsteht.

„Wir haben wirklich mit einem weißen Blatt Papier angefangen. Das war auch eine Stärke. Denn so konnten wir schon bei der Planung alle Kopplungen berücksichtigen.“ Denn all die einzelnen Modelle – für Stromnetz, Wasserstoff, Windkraft und noch viel mehr – gehen als Optionen in eine sektorübergreifende Optimierung ein. Insgesamt haben die Wissenschaftler auf diese Weise über 2.000 Verknüpfungen berücksichtig. Eine solche ist beispielsweise der Weg von der Windkraftanlage über die Elektrolyse hin zum Brennstoffzellenauto. Ein anderer der von der Windkraftanlage über die Wärmeerzeugung aus dem gewonnenen Strom hin zur Nachfragedeckung im Haushalt. „Diese Verknüpfungen treten in einen Kampf gegeneinander, der sowohl technisch als auch ökonomisch entschieden werden muss“, veranschaulicht Robinius. „Das Modell sucht sich technologisch unvoreingenommen die Verknüpfungen heraus, die kostenoptimal sind.“

Als Blaupause, die eins zu eins umzusetzen ist, wollen die Wissenschaftler ihre Studie nicht verstanden wissen. Denn dafür müssten noch eine ganze Reihe anderer, zum Beispiel sozialer Kriterien berücksichtigt werden. „Uns ist wichtig, dass alle beteiligten Akteure aus unseren Szenarien ihre Schlüsse ziehen“, betont Stolten. Der wichtigste dabei: „Beide Ziele erfordern unterschiedliche Transformationsstrategien.“ Um die Kosten vertretbar zu halten, muss deshalb schon heute das Ziel für 2050 verbindlich festgelegt werden. Denn erst auf 80 Prozent hinzuarbeiten und später auf 95 umzusteigen, würde zu erheblichen Mehrkosten führen. Grund dafür sind Lock-in-Effekte. Stolten erklärt einen davon: „Wenn wir eine 80 Prozent Strategie angehen, haben wir noch relativ viel Erdgas im Energiemix und relativ wenig Wasserstoff. Wenn wir ein 95 Prozent-Szenario angehen, haben wir hingegen sehr viel Wasserstoff.“ Wird also erst in neue Erdgaskraftwerke investiert, nur um ein paar Jahre später zurückzurudern, diese abzuschalten und eine Wasserstoff-Infrastruktur aufzubauen, wäre das wirtschaftlich kaum vertretbar.

Aktuell arbeiten die Forscher daran, mit ihrem Modell kostenoptimale Wege für die Energiewende in anderen Ländern und in Europa als Ganzes zu übertragen. „Die Herausforderung dabei“, da sind sich Stolten und Robinius einig, „sind die Daten, mit denen wir das Modell füttern. Diese zu sammeln, hat schon für Deutschland gut die Hälfte der Arbeiten ausgemacht.“

Kostengünstige Wege zum klimaneutralen Energiesystem (Forschungszentrum Jülich)

13.11.2019 , Kai Dürfeld

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