Sektorenkopplung in der Energiewende

Erneuerbare Energien leisten heute schon einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung: Im Jahr 2020 konnten 19,2 % des Endenergieverbrauchs über erneuerbare Energien gedeckt werden. Dabei zeigen sich große Unterschiede zwischen den einzelnen Sektoren der Energiewirtschaft: Während der Anteil der Erneuerbaren im Stromsektor bereits bei mehr als 45 % liegt, besteht in den Sektoren Wärmeversorgung und Verkehr Aufholbedarf. Nach wie vor werden diese Bereiche von fossilen Energieträgern dominiert. 

Um die Energiewende voranzubringen und die CO₂-Emissionen nachhaltig zu senken, reicht es nicht, die einzelnen Sektoren getrennt voneinander zu betrachten. Vielmehr bedarf es ganzheitlicher Lösungen. Der Sektorenkopplung, auch als Sektorkopplung bezeichnet, wird dabei eine Schlüsselrolle zugeschrieben. Sie soll dabei helfen, fossile Energieträger in allen Bereichen durch erneuerbare Energien zu ersetzen.

Sektorenkopplung bedeutet die umfassende Vernetzung aller Sektoren der Energiewirtschaft. Technische Anlagen, Infrastrukturen und Märkte sollen stärker aufeinander abgestimmt werden, um ein flächendeckendes, intelligentes Energiesystem zu etablieren. Ziel ist es, erneuerbare Energie zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort bereitzustellen und zu nutzen. 

Die beiden wichtigsten regenerativen Energiequellen in Deutschland sind Wind- und Solarenergie. Wind- und Solarstrom lassen sich einfach und günstig erzeugen und über die bestehende Infrastruktur transportieren. Deshalb liegt es nahe, die Sektoren Verkehr und Wärmeerzeugung auf grünen Strom umzustellen und so die auf Verbrennung basierende Energiegewinnung zu ersetzen.

Wind- und Solarenergie sind jedoch volatil, das heißt sie erzeugen zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich viel Strom. Kann die Energie zu Spitzenzeiten nicht verwendet oder gespeichert werden, geht sie ungenutzt verloren. Wird dagegen zu wenig Strom produziert, müssen die Lücken derzeit mit konventionell erzeugtem Strom gefüllt werden. Es bedarf also kurz- und langfristiger Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wenn man fossile Energieträger komplett ersetzen möchte. 

Um den grünen Strom in anderen Sektoren nutzen zu können, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, die unter dem Begriff Power-to-X zusammengefasst werden. Ihnen allen gemein ist, dass sie regenerativ erzeugten Strom in andere Energieträger umwandeln und/oder zwischenspeichern. Häufig gibt es dabei Überschneidungen:

• Power-to-Gas: Mithilfe elektrischen Stroms wird per Elektrolyse Wasserstoff hergestellt. Das Gas kann entweder direkt genutzt oder zu Methan weiterverarbeitet werden. Methan lässt sich in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen und in allen Anlagen, die Erdgas verbrennen, einsetzen. Bei der Verbrennung entsteht in etwa genauso viel CO2 wie bei der Herstellung benötigt wurde. Die Gesamtbilanz ist damit ausgeglichen. Das System ist derzeit noch nicht wirtschaftlich, besitzt aber ein hohes Entwicklungspotenzial. Auch Ammoniak ‒ ein Gas, das aus Wasserstoff und Luftstickstoff hergestellt wird ‒ bietet ein großes Potential zur Energiespeicherung, aber auch beispielsweise als Schiffstreibstoff.  
• Power-to-Heat: Strom kann auch in Wärme umgewandelt werden. Eine sehr effiziente Technik ist die Wärmepumpe in Kombination mit einer Photovoltaikanlage. Auch Heizstäbe, Elektroboiler oder Elektrodenkessel gehören zu den Power-to-Heat-Anlagen. Letztere ermöglichen sehr hohe Wärmeleistungen und können sogar mehrere 100 °C heißen Dampf für industrielle Prozesse liefern.
• Power-to-Mobility: Stromüberschüsse werden genutzt, um Elektrofahrzeuge zu laden. Zukünftig wird es auch möglich sein, die Energie aus den Batterien zurück in das Stromnetz einzuspeisen, wenn es dort zu Engpässen kommt.
• Power-to-Liquid: Bei diesem Verfahren wird elektrischer Strom in flüssige Kraftstoffe wie Methanol, sogenannte E-Fuels, umgewandelt. Grundlage dafür bildet die Erzeugung von grünem Wasserstoff.
• Power-to-Chemicals: Diese Technologie basiert ebenfalls auf dem Power-to-Gas-Prozess. Mit dem elektrolytisch erzeugten grünen Wasserstoff werden chemische Rohstoffe wie Propylen, Ethylen und Ammoniak produziert.

Eine zentrale Bedeutung bei der Sektorenkopplung kommt den Energiespeichern zu: Batterie-, Kraftstoff-, Gas- und Wärmespeicher nehmen Energieüberschüsse auf und stellen sie für einen späteren Zeitpunkt zur Verfügung. 

Herausforderungen der Sektorenkopplung

Zu den größten Herausforderungen zählt die Minimierung der Energieverluste bei den Power-to-X-Technologien, denn der Strom wird nicht 1:1 in einen anderen Energieträger umgewandelt. So geht bei der Herstellung von Methan über das Power-to-Gas-Verfahren fast die Hälfte der Energie verloren. Hinzu kommen Verluste bei der Verdichtung oder Verflüssigung für den Transport.

Die Sektorenkopplung bietet eine Reihe von Chancen. Dazu zählen:

• Dekarbonisierung aller Sektoren: Mit erneuerbaren Energien lassen sich praktisch alle fossilen Energieträger ersetzen. Dadurch sinken die CO2-Emissionen.
• Steigerung der Effizienz der Stromerzeugung: Windkraft- und Photovoltaikanlagen müssen bei einer zu hohen Stromproduktion nicht mehr abgeregelt werden. Stattdessen lassen sich Überschüsse für Power-to-X-Technologien nutzen.
• Entkopplung von Energieangebot und -nachfrage: Ist die Nachfrage an grünem Strom höher als die Produktion, könnte auf die Energiespeicher zurückgegriffen werden. Synthetisches Methan ließe sich beispielsweise in Brennstoffzellenheizungen oder in Gasturbinen rückverstromen. Die Wärme, die zugleich entsteht, könnte in das Wärmenetz eingeleitet werden.
• Niedrigere Strompreise: Während Strom aus fossilen Energiequellen immer teurer wird, sinken langfristig die Preise für Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen.
• Langfristige Versorgungssicherheit: Durch die intelligente Nutzung von Strom können witterungsbedingte Schwankungen von Solar- und Windenergie ausgeglichen werden, ohne dass in teure elektrische Stromspeicher investiert werden muss.
• Mehr Flexibilität für Verbraucher: Aufgrund der Dezentralisierung der Energieversorgung sinkt die Abhängigkeit von den großen Energieversorgern.