Angebotsabhängiger Energieverbrauch aus der Vogelperspektive

Strom aus erneuerbaren Energien ist abhängig vom Dargebot und somit nicht immer gleichmäßig verfügbar. Können wir also in Zukunft nur noch fernsehen, wenn der Wind weht?



Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken, stehen erneuerbare Energiequellen nicht immer je nach Bedarf zur Verfügung. Dadurch fallen hoher Strombedarf und hohes Stromangebot oft nicht zusammen. In unserer Artikelreihe haben wir uns bereits zwei Möglichkeiten angeschaut, damit umzugehen: Netze und Speicher. Um den Bedarf an Netzausbau und Speichern geringer zu halten, lässt sich als weitere Möglichkeit teilweise der Stromverbrauch auf Zeiten verschieben, zu denen Strom im Überschuss vorhanden ist. Dies erfüllt für das Stromnetz die gleiche Aufgabe wie Speicher. Im Unterschied zu Speichern wird dabei die gespeicherte Energie allerdings nicht wieder in Strom umgewandelt, sondern in umgewandelter Form weiter genutzt. [1]

Dieser Ansatz wird bereits im derzeitigen konventionellen Energiesystem angewandt, wenn beispielsweise auf unflexible Energieerzeugung aus Kernkraft reagiert wird. Aufgrund der geringeren Nachfrage ist dieser Strom oft nachts günstiger, sodass große Stromverbraucher ihren Bedarf bevorzugt in diese Stunden verschieben. [2]

Potential

Im Zusammenspiel werden die derzeitigen technischen Möglichkeiten den Flexibilitätsbedarf im zukünftigen Stromsystem decken können. Dunkelflauten, also Zeiten mit wenig Sonneneinstrahlung sowie wenig Wind, können durch das Zusammenspiel von Netzausbau, Speichern und angepasstem Verbrauch ausgeglichen werden. Laut einer Fraunhofer Studie sind die vorhandenen Flexibilitätsoptionen bereits ausreichend und es ist dazu nicht zusätzlich notwendig, Biomasse in thermischen Kraftwerken zu nutzen. Dies gilt sowohl für Verfügbarkeit, als auch Einsatzhäufigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit. [3]

Flexibilitätsoptionen2018 (in GW)2030 (in GW)
Demand Response3.82
DR Industrie1.171.25
DR Gewerbe, Handel, Dienstleistung (GHD)2.754.13
DR Haushalte3.952.71
Power-to-X(PtX)
PtH (Fernwärme)0.220.83
PtH (Industrie, GHD, Haushalte)10.686.85
PtG0.031.92
Elektroautos0.114.21
Deutschlandweite Entwicklung nach enera. (Quelle: Vernommen aus dem SINTEG Synthesebericht 1). [7]

Im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen wird das Flexibilitätspotential durch angepassten Verbrauch auf insgesamt etwa 10.000 MW geschätzt, wovon über die Hälfte auf Klimatisierung entfällt. [4] Klimaanlagen können dabei in der Regel nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen, Befeuchten und Entfeuchten eingesetzt werden. [5] Im Industriesektor wird das Potential auf etwa 3000 MW bei der energieintensiven Industrie sowie 1.400 MW bei industriellen Querschnittstechnologien geschätzt. [6] Die nachfrageseitige Flexibilität der Haushalte kann mit etwa 2.700 MW im Jahr 2030 beitragen, die Flexibilität durch Elektroautos mit 4.200 MW. [7]

Anreize

Um diese Potentiale zu heben, werden entsprechende Anreize benötigt, die die Verbraucher zu einer angepassten Nachfrage bewegen. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: zeitvariable Netzentgelte oder Flexibilitätsmärkte.

Zeitvariable Netzentgelte setzen einen preislichen Anreiz, um den Stromverbrauch auf Zeiten zu verschieben, in denen dieser vermehrt vorhanden ist. Der Strompreis wird abhängig von der Verfügbarkeit in Echtzeit angepasst, steigt also, wenn Strom knapp ist und sinkt, wenn Strom verfügbar ist. Dies setzt einen Anreiz, dass Verbraucher ihren Stromverbrauch auf Zeiten mit günstigeren Preisen verschieben. [8]

Flexibilitätsmärkte hingegen sind ein Modell, bei dem Verbraucher für ihr Angebot an Flexibilität bezahlt werden. Sie können beispielsweise anbieten, Anlagen abzustellen, wenn gerade Strom knapp ist und werden dann entsprechend für diese Flexibilität entlohnt. Der Flexibilitätsmarkt bringt hier also Angebot und Nachfrage an Flexibilitäten zusammen. [9]

Rechtliche Rahmenbedingungen

Das Strommarktgesetz soll dazu beitragen, Flexibilitäten auf dem Strommarkt leichter nutzbar zu machen. [10] In der derzeitigen rechtlichen Lage können nur Verbraucher über 5 MW Leistung zur Erbringung von Regelenergie eingesetzt werden. Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge sind hier demnach nicht mit eingeschlossen. [11] Mit der Neufassung des Paragraf 14a im Energiewirtschaftsgesetz wurden 2022 die ersten Grundlagen gelegt, um Endkunden-Flexibilitäten zu nutzen. Gegen ein reduziertes Netzentgelt wird dem Netzbetreiber die Steuerung der Stromverbraucher ermöglicht. [12] Im Rahmen der Verordnung für abschaltbare Lasten können außerdem Großverbraucher dafür entschädigt werden, dass sie kurzfristig auf Strom verzichten, um die Übertragungsnetzbetreiber zu entlasten. [13]

Viz03: Rechtliche Rahmenbedingungen

Technologien und Infrastruktur

Technologien, die zur Flexibilität auf der Nachfrageseite beitragen, basieren entweder auf der Anpassung des Lastprofils bzw. des Zeitpunktes, zu dem Strom verbraucht wird oder auf der Umwandlung von Strom in eine andere Energieform. Diese Technologien werden oft als Power-to-X zusammengefasst und je nach Energieform in Power-to-Heat, Power-to-Gas und Power-to-Liquid unterteilt.

Haushaltsebene

Die auf Haushaltsebene verfügbaren Potentiale für nachfrageseitige Flexibilitäten sind auf viele Einzelgeräte verteilt. Um die Potentiale zu nutzen, müssen diese Geräte gesteuert werden, entweder im Rahmen des Haushaltes entsprechend zeitvariabler Stromtarife oder zentral durch den Netzbetreiber oder Stromversorger.

Geräte, die hierfür in Betracht kommen, sind solche, deren Stromnutzung zeitlich unkritisch ist, die eine ausreichend hohe Leistung haben und deren Lastprofil für Demand-Side-Management geeignet sind. Bei Geschirrspülern beispielsweise wird die maximale Leistung nicht sofort benötigt, sodass der Effekt auf kurzfristige Schwankungen im Stromangebot geringer ist. [6] Bei Geräten wie Waschmaschinen ist zu beachten, dass diese nur starten können, wenn sie auch beladen sind und nicht mitten im Waschgang unterbrochen werden können. [4] Im Technologiesteckbrief der acatech wurden deshalb für den Haushaltsbereich Kühlschrank, Gefrierschrank, Wäschetrockner, Raumklimatisierung, Umwälzpumpe für Heizungsanlagen und Warmwasseraufbereitung (elektrisch) betrachtet. [6]

Eine weitere Flexibilität auf Haushaltsebene können Elektroauto- oder PV-Batterien stellen. Bei Elektroautos ist das Potential erheblich durch das Nutzerverhalten eingeschränkt. Beispielsweise sollten Ladestationen vermehrt an Arbeitsplätzen in Betracht gezogen werden, um die dort geparkten Fahrzeuge den Tag über in das Demand-Side-Management integrieren zu können. [14]

Es gibt bisher keine Erfahrungen mit der Steuerung einer solch hohen Anzahl an Einzelgeräten und Batterien, sodass die Schätzungen aus dem Technologiesteckbrief mit einer hohen Unsicherheit behaftet sind. Die gesellschaftliche Akzeptanz für Technologien zum Demand-Side-Management auf Haushaltsebene ist eher gering. Insbesondere die Datensicherheit ist hier ein limitierender Faktor, der bei Verbesserung damit auch ein großes Potential für eine höhere Akzeptanz bietet. Auch zuvor genannte preisliche Anreize spielen eine Rolle. [6]

Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

Im Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistungen entfällt ein großes Potential auf die Kälte zur Raum- und Gebäudeklimatisierung. Auch elektrische Energie zur Raumheizung kann zum Demand-Side-Management genutzt werden. Das Potential bei mechanischer Energie liegt bei Pumpen, Lüftungen, Kompressoren und Ähnlichem. Ebenso können Prozesswärme und Prozesskälte genutzt werden. Großes Potential bieten beispielsweise Kühlaggregate in Supermärkten. [6]

Laststeuerung wird schon seit vielen Jahren von den Saarbrücker Stadtwerken betrieben. Hierbei werden die Kühltruhen und Kühlschränke in Supermärkten für eine bestimmte Zeit abgeschaltet. Die Thermostate sind dabei vorher so eingestellt, dass sie die Lebensmittel bei einer etwas tieferen Temperatur kühlen bzw. gefrieren. Wird dann vom Stromversorger per Fernsteuerung das Kühlgerät vom Stromnetz getrennt, so können sie ca. 1 bis 2 Stunden abgeschaltet bleiben, bevor sie wieder eingeschaltet werden müssen, um die Lebensmittel vor dem Antauen zu schützen. [15]

Industrieebene

Auf der Industrieebene gibt es zwei verschiedene Ansätze. Der eine besteht im klassischen Demand-Side-Management, also darin, dass Produktionsprozesse, die in jedem Fall stattfinden, zeitlich an das Stromangebot angepasst und bevorzugt auf Zeiten hoher Verfügbarkeit verschoben werden. Ein zweiter Ansatz ist, dass Anlagen explizit dafür gedacht sind, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien zu nutzen. Dafür gibt es verschiedene technische Möglichkeiten, die teilweise ausschließlich die Energie in umgewandelter Form weiter verwenden und teilweise zusätzlich als Speicher fungieren, indem sie später wieder in Stromnetz einspeisen können.

Power2Heat

Als Technologien, die Strom in Wärme umwandeln, stehen beispielsweise Wärmepumpen zu Verfügung. Diese arbeiten effizient, allerdings sind sie im Betrieb erst bei Einsatz über viele Stunden wirtschaftlich und eignen sich deshalb weniger für kurzzeitigen Überschussstrom aus erneuerbaren Energien. [16] (Groß-)Wärmepumpen sind dabei ein integraler Bestandteil der zukünftigen Wärmeversorgung und notwendig zur Dekarbonisierung des Wärmesektors. [17]

Elektrodenkessel und Tauchsieder (Heizstäbe) erhitzen Wasser, indem Strom hindurchgeleitet wird. [18] In der Praxis werden diese Technologien meist mit einem Wärmespeicher kombiniert. Die Wärme kann dann für Industrieprozesse verwendet oder in Fernwärmenetze eingespeist werden bzw. zu einem späteren Zeitpunkt rückverstromt werden. [19]

Aufgrund der geringen Kosten ist das Nutzungspotential beim System mit Heizstab derzeit am größten. Insbesondere in Kombination mit der Nutzung von alten Kohlekraftwerksinfrastrukturen ergibt sich hier eine kostengünstige Anwendung. Eine Turbine zur Rückverstromung ist dort bereits vorhanden sowie meist ein Anschluss an ein Fernwärmenetz. Power2Heat Anlagen in Kombination mit Wärmespeichern stehen beispielsweise in Berlin und Münster. [20, 21]

Power2Liquid

Als Power2Liquid werden Prozesse bezeichnet, die Strom in flüssige Kraftstoffe oder Chemikalien wie Methanol oder Ammoniak umwandeln. Diese können beispielsweise im Rahmen der Sektorenkopplung als Kraftstoffe dort eingesetzt werden, wo ein Umstieg rein auf elektrische Energie nicht möglich ist. [22]

Power2Gas

Power2Gas-Prozesse nutzen Strom zur Herstellung von gasförmigen Energieträgern. Wasserstoff und synthetisches Methan könnten dann in Zukunft neben Biogas und Erdgas ins Gasnetz eingespeist und dort zwischengespeichert werden. Bei der Umwandlung entstehen hohe Verluste, sodass diese Anwendungen bisher noch nicht wirtschaftlich sind. [23]

DAC

Eine Technologie, in die immer wieder große Hoffnungen gesetzt werden, ist Direct Air Capture. Hierbei wird CO2 aus der Luft gefiltert und zu Methan umgewandelt. Bei der Erzeugung von Strom und Wärme wird dann nur so viel CO2 wieder frei, wie vorher aus der Atmosphäre entnommen wurde. An der HAW Hamburg wird dies derzeit im Projekt ClosedCarbonLoop erprobt. Dies schließt den Kohlenstoffkreislauf bei der Methannutzung, stellt jedoch keine alleinige Lösung für die Energiewende dar. [24]

Wasserstoff

Durch Elektrolyse kann mit Hilfe von Strom Wasserstoff hergestellt werden, indem Wasser in die chemischen Elemente Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Geschieht dies mit Strom aus erneuerbaren Energien, so spricht man von grünem Wasserstoff. [25]
Wasserstoff kann als Energieträger eine Zeit lang gespeichert und dann eingesetzt werden, wenn er benötigt wird. Die Emissionen sind dabei geringer als bei anderen flexiblen Energieträgern wie Holz, wo außerdem Auswirkungen auf die Biodiversität durch die Abholzung hinzukommen. [3]

Wasserstoff wird oft als der Energieträger der Zukunft dargestellt und hat sicher seinen Platz im zukünftigen Energieportfolio. Doch der Wasserstoffhype hat auch noch einen anderen Grund: Lobbyarbeit.

Dass Wasserstoff eine so große Lobby hat, liegt nicht ausschließlich an seinem Potential für den Klimaschutz, sondern zu einem großen Teil an Profitinteresse ausgerechnet fossiler Energiekonzerne. Sie setzen sich dafür ein, dass Förderungen auch für solchen Wasserstoff gelten, der aus Erdgas hergestellt wurde, und somit Gelder für Technologieentwicklung und Infrastruktur auch an sogenannten blauen Wasserstoff gehen. Das Argument dabei: blauer ist derzeit günstiger als grüner Wasserstoff und soll so die Industrie wettbewerbsfähig machen. Immerhin: laut der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien wird grüner Wasserstoff bis 2030 durch den starken Zubau an erneuerbaren Energien preislich konkurrenzfähig.

Auch wird beispielsweise seit Jahren daran getestet, Wasserstoff in bestehenden Gasleitungen durch Beimischung von Methan zu transportieren. Es lassen sich mit dieser Technologie maximal 20 % Wasserstoff beimischen. Die Unternehmen profitieren also vor allem davon, dass sie weiterhin 80 % Methan verkaufen.
Wasserstoff aus überschüssigem erneuerbarem Strom hat also seinen Platz in einem zukünftigen Energieportfolio. Doch bis dieser Überschuss besteht profitieren vom Wasserstoff-Hype vor allem Gasunternehmen. [26]

 


[1] I. Stadler und ,. Eckert, „Lastmanagement als Energiespeicher,“ in Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration, Berlin Heidelberg, Springer-Verlag, 2017, pp. 619-644.
[2] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, „Was sind eigentlich “Flexibilitätsoptionen”?,“ Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, 16 Januar 2018. [Online]. Available: https://www.bmwi-energiewende.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2018/01/Meldung/direkt-erklaert.html. [Zugriff am 30 03 2023].
[3] H. U. S. M. S. P. W. M. W. J. Buhl, „Bewertung von Flexibilitätsoptionen im deutschen Stromsystem 2021 bis 2035 unter Berücksichtigung der Holzverfeuerung,“ Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer Instituts für angewandte Informationstechnik FIT, Augsburg / Bayreuth, 2021.
[4] S. Gährs, A. Deisböck, N. Cremer und P. Cremerius, „Regionale Flexibilitäten in Haushalten und Supermärkte,“ Institut für ökologische Wirtschaftsforschung, Berlin, 2020.
[5] Heinze GmbH | NL Berlin | BauNetz, „Arten der Klimatisierung,“ Heinze GmbH | NL Berlin | BauNetz, [Online]. Available: https://www.baunetzwissen.de/gebaeudetechnik/fachwissen/kuehlen-klimatisieren/arten-der-klimatisierung-2492291. [Zugriff am 30 03 2023].
[6] Z. A. Styczynski und D. U. Sauer, „Demand-Side-Management im Strommarkt,“ acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V.; Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina e. V; Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e. V., 2015.
[7] B. Munzel, M. Reiser und K. Dr. Steinbacher, „Flexibilitätspotenziale und Sektorkopplung, Synthesebericht 1 d es SINTEG Förderprogramms, Studie im Auftrag des BMWK,“ BMWK, Berlin, 2022.
[8] T. Klaus, C. Vollmer, K. Werner, H. Lehmann und K. Müschen, „Energieziel 2050: 100 % Strom aus erneuerbaren Quellen,“ Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2010.
[9] netzpraxis, „enera: Flexibilitätsmärkte für die netzdienliche Nutzung,“ VDE VERLAG GMBH, 01 12 2018. [Online]. Available: https://www.energie.de/netzpraxis/news-detailansicht/nsctrl/detail/News/enera-flexibilitaetsmaerkte-fuer-die-netzdienliche-nutzung#:~:text=Im%20Sinteg%2DProjekt%20enera%20wird,neue%20Kompetenzen%20und%20Prozesse%20aufbauen.. [Zugriff am 30 03 2023].
[10] Bundesgerichthof, „Entwurf eines Gesetzes zur Weiterentwicklung des Strommarktes,“ [Online]. Available: https://www.bundesgerichtshof.de/SharedDocs/Downloads/DE/Bibliothek/Gesetzesmaterialien/18_wp/StrommarktG/rege.pdf;jsessionid=5ECBF4851B779CD549EC349F6043DAE8.internet961?__blob=publicationFile&v=1. [Zugriff am 30 03 2023].
[11] Öko-Institut e.V., „Mit dezentralen Flexibilitäten eine Milliarde Euro Stromerzeugungskosten sparen und Stromnetze entlasten,“ 07 04 2022. [Online]. Available: https://www.oeko.de/presse/archiv-pressemeldungen/presse-detailseite/2022/mit-dezentralen-flexibilitaeten-eine-milliarde-euro-stromerzeugungskosten-sparen-und-stromnetze-entlasten. [Zugriff am 30 03 2023].
[12] VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V., „VDE FNN begrüßt die Neuregelung des Paragrafen 14a EnWG und stellt Konzept zur Integration flexibler Erzeuger und Verbraucher in das Netz vor,“ 21 07 2022. [Online]. Available: https://www.vde.com/de/presse/pressemitteilungen/2022-07-21-fnn-flexibilitaeten. [Zugriff am 30 03 2023].
[13] Bundesnetzagentur, „Um¬la¬ge für ab¬schalt¬ba¬re Las¬ten,“ [Online]. Available: https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/A_Z_Glossar/A/AbschaltbareLasten_Umlage.html#:~:text=Die%20Verordnung%20%C3%BCber%20Vereinbarungen%20zu,der%20Verordnung%20%C3%BCber%20abschaltbare%20Lasten.. [Zugriff am 30 03 2023].
[14] F. Guthoff, N. Klempp und K. Hufendiek, „Quantification of the Flexibility Potential through Smart Charging of Battery Electric Vehicles and the Effects on the Future Electricity Supply System in Germany,“ Energies, 22 April 2021.
[15] Wikipedia, „Laststeuerung,“ Wikipedia, 24 November 2022. [Online]. Available: https://de.wikipedia.org/wiki/Laststeuerung. [Zugriff am 30 März 2023].
[16] NEW ENERGY Capital Invest GmbH, „Power-to-Heat,“ NEW ENERGY Capital Invest GmbH, 2009. [Online]. Available: http://www.power-to-heat.eu/power-to-heat/. [Zugriff am 30 03 2023].
[17] Fraunhofer IWES/IBP, „Wärmewende 2030. Schlüsseltechnologien zur Erreichung der mittel- und langfristgen Klimaschutzziele im Gebäudesektor,“ Studie im Auftrag von Agora Energiewende, Kassel, 2017.
[18] RHEINPFALZ Redaktion, „Wie ein großer Tauchsieder,“ RHEINPFALZ Redaktion, 24 Juli 2015. [Online]. Available: https://www.rheinpfalz.de/lokal/ludwigshafen_artikel,-wie-ein-gro%C3%9Fer-tauchsieder-_arid,383663.html. [Zugriff am 30 03 2023].
[19] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fh ISE), „Innovative Energietechnologien – Analyse ausgewählter innovativer Technologien zur Energieerzeugung, -umwandlung und -speicherung. Kurzgutachten zur dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität.,“ Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena), 2021.
[20] J. Wille, „Deutschlands größter Wärmespeicher,“ klimareporter, 10 Juli 2022. [Online]. Available: https://www.klimareporter.de/technik/deutschlands-groesster-waermespeicher. [Zugriff am 30 03 2023].
[21] F. Adler, „Ein Tauchsieder im Hafen für die Energiewende,“ Stadtwerke Münster, 01 02 2016. [Online]. Available: nster.de/blog/energie/ein-tauchsieder-im-hafen-fuer-die-energiewende/. [Zugriff am 30 03 2023].
[22] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, „Power-to-Liquids,“ Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, [Online]. Available: https://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/wasserstofftechnologien-und-elektrische-energiespeicher/thermochemische-prozesse/power-to-liquids.html. [Zugriff am 30 03 2023].
[23] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, „Power-to-Gas,“ Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, [Online]. Available: https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/gas-power-to-gas.html. [Zugriff am 30 03 2023].
[24] M. Rößinger, „Was der neue CO2-Staubsauger im Technologiezentrum kann,“ HAW Hamburg, 15 10 2021. [Online]. Available: https://www.haw-hamburg.de/detail/news/news/show/was-der-neue-co2-staubsauger-im-technologiezentrum-kann/. [Zugriff am 30 03 2023].
[25] Bundesregierung, „Wasserstoff – Energieträger der Zukunft,“ Presse- und Informationsamt der Bundesregierung, 07 Juni 2022. [Online]. Available: https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/klimaschutz/wasserstoff-technologie-1732248#:~:text=Wasserstoff%20ist%20ein%20flexibel%20einsetzbarer,Schiff%2D%20und%20Flugverkehr%20klimaschonend%20umzugestalten.. [Zugriff am 30 03 2023].
[26] A. Joeres, K. Huth, G. Rubino, C. Indiano und F. Cicculli, „„Blauer“ Wasserstoff: Wie eine mächtige Lobby um ihr Gas kämpft,“ correctiv, 04 Mai 2021. [Online]. Available: https://correctiv.org/aktuelles/2021/05/04/blauer-wasserstoff-wie-eine-maechtige-lobby-um-ihr-gas-kaempft/. [Zugriff am 30 03 2023].


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