Strom steht uns immer und zu jeder Uhrzeit zur Verfügung.
Die Zuverlässigkeit des Stromnetzes ist eine technologische Meisterleistung, die in jeder Millisekunde überwacht und korrigiert werden muss.
ERZEUGUNG|VERBRAUCH
Erzeugung
Als Stromerzeugung ist die Gewinnung von Strom gemeint – sei es in einem großen Kraftwerk oder einer kleinen Solaranlage. Die so bereitgestellte elektrische Energie wird über Stromnetze zu den Verbraucher:innen transportiert.
Verbrauch
Unternehmen und Privathaushalte werden im Kontext der Elektrizitätsversorgung auch kurz als Verbraucher:innen oder Stromkund:innen bezeichnet.
REGELENERGIE
Stromerzeugung und Stromverbrauch müssen für ein stabiles Netz immer im Gleichgewicht sein – auf einer Frequenz von 50 Hertz.
Im alten, fossilen System konnte immer genau so viel Strom erzeugt werden, wie der aktuelle Bedarf war.
Schwankungen im Stromsystem konnten einfach durch Hochfahren oder Drosseln von Kraftwerken ausgeglichen werden.
Der notwendige Wechsel von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energieträgern stellt dieses System nun vor völlig neue Herausforderungen.
Um trotzdem eine zuverlässige Stromversorgung zu sichern und die Energiewende in allen Sektoren voranzubringen, müssen verschiedene Ansätze miteinander kombiniert werden.
Systemwandel
Ansatz 1
Wir Verbraucher:innen erwarten nicht mehr passiv den Strom aus der Steckdose, sondern flexibilisieren unseren Strom-Bedarf. So läuft automatisiert unsere Waschmaschine, lädt das E-Auto oder wird der stromintensive Prozess in der Industrie möglichst dann durchgeführt, wenn gerade besonders viel Strom erzeugt wird. Alternativ wird dann Strom-Bedarf gesenkt, wenn die Erneuerbare-Energie-Anlagen weniger Strom erzeugen. Aus uns passiven Verbraucher:innen werden also mithilfe intelligenter Vernetzungstechnologie aktive Verbraucher:innen, die sich dem System dienlich verhalten.
Systemwandel
Ansatz 2
Wir speichern überschüssige Energie, den wir dann wieder als Strom zusätzlich nutzen können, wenn zu wenig grüner Strom erzeugt wird. So können wir dann eine längere Phase ohne Wind und Sonne mit Hilfe unserer Energiespeichen überbrücken. Speicher können klassischerweise Batterien sein – aber auch ganz andere Medien wie bspw. hochgepumptes Wasser in einem Pumpspeicherkraftwerk.
Systemwandel
Ansatz 3
Wir nutzen die überschüssige und mit grünem Strom produzierte Energie zur Dekarbonisierung der anderen beiden Sektoren Wärme und Verkehr. Das nennt sich dann Sektorkopplung. Denn während wir in der Stromversorgung auf einem guten Weg sind, diese klimaneutral zu gestalten, kommen wir in den anderen beiden Sektoren der Energiewende Wärme und Verkehr seit 30 Jahren nicht wirklich mit der Dekarbonisierung voran (Kapitel 2). Der Clou ist also, hier zukünftig vermehrt grünen Strom zu nutzen, um sich fortzubewegen und zu heizen. So können durch Sektorkopplung mit grünem Strom in allen Sektoren die fossilen Energieträger verdrängt werden.
SEKTORKOPPLUNG
Um wirklich alle fossilen Brennstoffe wie Gas, Kohle und Benzin zu ersetzen, muss Strom aus Erneuerbaren Energien auch für Verkehr und Wärme genutzt werden.
Die Sektorkopplung ist somit ein vielversprechender Lösungsweg für eine Dekarbonisierung unserer Energieerzeugung und unseres Energieverbrauchs.
Power
to Heat
Der Begriff Power-to-Heat fasst mehrere Verfahren zusammen, die aus Strom Wärme erzeugen.
Besonders interessant ist hier die Wärmepumpe – nicht zu verwechseln mit einem klassischen Elektroheizkörper! Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein umgekehrter Kühlschrank: Der Strom treibt eine Wärmepumpe an. Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft oder dem Erdboden Wärme, die dann über ein flüssiges Medium in die Innenräume transportiert wird und diese erwärmt. Eine Wärmepumpe kann mit einer Einheit Strom ca. vier Einheiten Wärme transportieren – ein unschlagbar hoher Effizienzgrad!
Power
to Gas
In einem Power-to-Gas-Verfahren wird mit grünem Strom ein Gas erzeugt – beispielsweise grüner Wasserstoff. Dafür wird mit Strom in einem Elektrolyseur Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespaltet. Dabei entsteht dann der sogenannte grüne Wasserstoff.
Dieser grüne Wasserstoff ist die einzige sinnvolle Art, im Sinne der Energiewende Wasserstoff herzustellen. Alle anderen Herstellungsarten von Wasserstoff bringen uns in der Energiewende leider nicht weiter. Da dieser grüne Wasserstoff aber energieaufwendig herzustellen ist, heißt es auch, dass Wasserstoff eher ein Luxusgut ist und somit nur begrenzt vorhanden.
Der grüne Wasserstoff (H2) kann dann erst einmal als ein Energiespeicher genutzt werden – quasi eine Alternative zu einer Batterie. Bei Bedarf kann der grüne Wasserstoff dann direkt genutzt werden, indem er bspw. anstelle von Erdgas in einem Hoch-Temperatur-Prozess der Industrie verbrannt wird. Oder der Wasserstoff wird mit Hilfe einer Brennstoffzelle wieder zurück in Strom umgewandelt, um dann bspw. das Stromnetz zu stabilisieren oder einen LKW-Motor anzutreiben.
Power
to Liquid
In einem Power-to-Liquid-Verfahren wird mit grünem Strom ein synthetischer, CO2-neutraler Kraftstoff hergestellt. So wird die Energie in einer Flüssigkeit gespeichert. Dabei ist in dem Verfahren gasförmiger Wasserstoff ein Zwischenschritt.
Dieser synthetische Kraftstoff kann später ohne Umrüstung der fossilen Verbrennungsmotoren verwendet werden – bspw. in Flugzeugen als klimaneutrales Kerosin für Langstreckenflüge.
E-Mobilität
Eine weitere Möglichkeit den Verkehrssektor mit regenerativer Energie zu versorgen, ist die E-Mobilität. Hier wird die Energie direkt in einer Batterie gespeichert und anstelle von fossilen Kraftstoffen genutzt. Der Vorteil an Elektroautos ist die hohe Energieeffizienz: Da der Strom quasi direkt genutzt wird, ist E-Mobilität von allen Antriebstechnologien mit Abstand am effizientesten.
Power
to Heat
Der Begriff Power-to-Heat fasst mehrere Verfahren zusammen, die aus Strom Wärme erzeugen.
Besonders interessant ist hier die Wärmepumpe – nicht zu verwechseln mit einem klassischen Elektroheizkörper! Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein umgekehrter Kühlschrank: Der Strom treibt eine Wärmepumpe an. Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft oder dem Erdboden Wärme, die dann über ein flüssiges Medium in die Innenräume transportiert wird und diese erwärmt. Eine Wärmepumpe kann mit einer Einheit Strom ca. vier Einheiten Wärme transportieren – ein unschlagbar hoher Effizienzgrad!
Power
to Gas
In einem Power-to-Gas Verfahren wird mit grünem Strom ein Gas erzeugt – beispielsweise grüner Wasserstoff. Dafür wird mit Strom in einem Elektrolyseur Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespaltet. Dabei entsteht dann der sogenannte grüne Wasserstoff.
Dieser grüne Wasserstoff ist die einzige sinnvolle Art, im Sinne der Energiewende Wasserstoff herzustellen. Alle anderen Herstellungsverfahren von Wasserstoff bringen uns in der Energiewende leider nicht weiter. Da dieser grüne Wasserstoff aber energieaufwendig herzustellen ist, heißt es auch, dass Wasserstoff eher ein Luxusgut ist und somit nur begrenzt vorhanden
Der grüne Wasserstoff (H2) kann dann erst einmal als ein Energiespeicher genutzt werden – quasi eine Alternative zu einer Batterie.
Bei Bedarf kann der grüne Wasserstoff dann direkt genutzt werden, indem er bspw. anstelle von Erdgas in einem Hoch-Temperatur-Prozess der Industrie verbrannt wird. Oder der Wasserstoff wird mit Hilfe einer Brennstoffzelle wieder zurück in Strom umgewandelt, um dann bspw. das Stromnetz zu stabilisieren oder einen LKW-Motor anzutreiben.
Power
to Liquid
In einem Power-to-Liquid Verfahren wird mit grünem Strom ein synthetischer, CO2-neutraler Kraftstoff hergestellt. So wird die Energie in einer Flüssigkeit gespeichert. Dabei ist in dem Verfahren gasförmiger Wasserstoff ein Zwischenschritt.
Dieser synthetische Kraftstoff kann später ohne Umrüstung der fossilen Verbrennungsmotoren verwendet werden – bspw. in Flugzeugen als klimaneutrales Kerosin für Langstreckenflüge.
E-Mobilität
Eine weitere Möglichkeit den Verkehrssektor mit regenerativer Energie zu versorgen, ist die E-Mobilität. Hier wird Strom direkt in einer Batterie gespeichert und anstelle von fossilen Kraftstoffen genutzt. Der Vorteil an Elektroautos ist die hohe Energieeffizienz: Da der Strom quasi direkt genutzt wird, ist E-Mobilität von allen Antriebstechnologien mit Abstand am effizientesten.
Energieverlust
In der Sektorkopplung wandeln wir häufig Energie in eine andere Energieform um. Das Problem ist, dass bei jeder Energieumwandlung nutzbare Energie „verloren“ geht – insbesondere Wärme wird dabei an die Umgebung abgegeben und nicht genutzt. Wird Strom beispielsweise für die Erzeugung von grünem Wasserstoff eingesetzt und würde man zu einem späteren Zeitpunkt aus diesem Wasserstoff wieder Strom erzeugen, bliebe nur noch etwa die Hälfte der Ausgangsenergie übrig.
Zusammengefasst heißt das: Wir brauchen Sektorkopplung, um unser Energiesystem zu stabilisieren und die schwer zu dekarbonisierenden Sektoren Wärme und Verkehr treibhausgasneutral zu bekommen. Gleichzeitig erhöht die Sektorkopplung unseren Bedarf an Strom aus erneuerbaren Energieträgern. Wir müssen also den Ausbau der erneuerbaren Energien und die Energieeffizienz weiter vorantreiben.
So gelingt der Systemwandel
Eine sichere Stromversorgung ist also auch mit erneuerbaren Energien möglich. Gerade die Digitalisierung ist hier eine große Chance, ein intelligentes und effizientes Netz aufzubauen. Ein solches Smart Grid verknüpft Erzeugung und Verbrauch automatisiert und intelligent miteinander – insbesondere wird mit überschüssigem Strom Sektorkopplung betrieben. Wenn wir darüber hinaus weiter Energie einsparen und in unseren Verbrauchsprozessen effizienter werden, wird die Herausforderung Energiewende umso einfacher.
Die Umstellung eines gesamten Systems stellt Ingeneur:innen also vor hochkomplexe Fragestellungen. Diese sind aber lösbar. Die benötigten Technologien sind erforscht. Es stellt sich also weniger die Frage des „Wie?“, sondern viel mehr die Frage des „Wann?“. Diese Frage muss von der Politik und einer Gesellschaft beantwortet werden – dafür braucht es nicht nur Ingeneur:innen, damit wir gemeinsam die Weichen für eine erfolgreiche Energiewende stellen.
INFO
Weiterführende Informationen und Vertiefungsinhalte
- Tool zur sekundenaktuellen Netzfrequenz: Die Frequenz schwankt immer um die 50 Hertz. Das kannst du in diesem Tool live verfolgen. Das Besondere: wenn die Netzfrequenz besonders aus dem Gleichgewicht gerät – geht Blogbetreiber Markus Jaschinsky der Sache auf die Spur.
- Handygame: Der norwegische Energieunternehmen Statnett hat dieses kurzweilige Handygame heruasgebracht, bei der du ein sicheres Versorgungsnetz an Stromleitungen aufbaust – und nebenbei wichtige Grundprinzipien des Netzausbau lernst!
- Video zum Emsland-Case: Ein Schiff fährt über die Ems – und in halb Europa fällt der Strom aus. Wie das passieren konnte, erzählt der rund 5 minütige Emsland-Case.
- Browsergame: Stell dich der Herausforderung und versuche, die Netzfrequenz von 50 Hertz durch Zu- und Abschaltung von Verbrauch und Erzeugung zu halten – in diesem Browsergame!
- Videoreihe Smart Grid: Wie funktioniert eigentlich so ein intelligent vernetztes Stromnetz? Das erfährst du in diesem Videokurs (Link folgt zeitnah nach Veröffentlichung).
- Video zu den NEW 4.0 Use Cases: Welche Funktionen müssen die Erneuerbaren Energien im Stromnetz der Zukunft übernehmen? Dieser Frage ist das Forschungsprojekt NEW 4.0 nachgegangen – und hat gezeigt – sie können es! Prof. Hans Schäfers erklärt die verschiedenen Funktionen vereinfacht in dieser siebenteiligen Reihe in jeweils etwa 5-minütigen Videoepisoden.
- Videoreihe zu Geschäftsmodelle an Strommärkten: An den Strommärkten kann man Geld verdienen. Man sorgt einfach dafür, dass die Frequenz von 50 Hertz eingehalten wird. Wie das genau funktioniert und was Smart Balancing ist, lernst du in dieser rund 60-minütigen Videoreihe.
- Podcastreihe zur Wärmewende: Wir haben viel über Strom gesprochen, aber es gibt bspw. auch den Sektor Wärme. Wie schaffen wir es hier? Dieser Frage geht der Podcast 5MinutenClimateChance in fünf 5-minütigen Folgen nach.
- Einordnung von Wasserstoff: Klimaretter Wasserstoff? Der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) setzt sich in einer rund 100-seitigen Stellungnahme „Klasse statt Masse“ ausführlich mit der Frage auseinander, in welchen Bereichen Wasserstoff einen sinnvollen Beitrag für den Klimaschutz leisten kann und wo nicht.
- Saubere Autos, schmutzige Batterien? E-Autos sind aus Energieeffizienzsicht die beste Art für eine grüne Antriebstechnologie. Gleichzeitig benötigen wir aktuell dafür den konfliktären Rohstoff Kobalt, wie diese rund 45-minütige ZDF-Doku oder diese rund 44-minütige WDR-Doku thematisiert. Deswegen spricht Volker Quaschning auch in seinem rund 33-minütigem Podcast „Umweltsünder E-Auto“, welche Kritik am E-Auto berechtigt ist und welche eher Stimmungsmache. Schriftlich hat das Fraunhofer in seinem 36-seitigen Bericht einen Faktencheck durchgeführt und den konkreten Handlungsbedarf aufgezeigt.
- Rundgang Energie-Campus: Das Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz der HAW Hamburg (kurz CC4E) forscht in Hamburg-Bergedorf an Technologien zur Energiewende. Ausschnitte hast du hier in dem Thema Sektorkopplung schon gesehen, hier ist der 16-minütige Rundgang in voller Länge und ungeschnitten.
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