Sektorenkopplung

Unter Sektorkopplung versteht man die Integration und Koordination verschiedener Energiesektoren - in der Regel Wärme, Industrie, Mobilität und Strom. In einem gekoppelten System sind diese Sektoren so miteinander verbunden, dass sie Energie miteinander austauschen können. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Einführung erneuerbarer Energien voranzutreiben, indem eine effizientere und vernetzte Nutzung der Ressourcen ermöglicht wird. So kann zum Beispiel überschüssiger Strom aus Wind- und Solarenergie genutzt werden, um durch Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, der dann als Kraftstoff für den Verkehr oder zum Heizen verwendet werden kann. In ähnlicher Weise kann Abwärme aus industriellen Prozessen zur Raumheizung oder zur Stromerzeugung genutzt werden.

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Kopplungsstrategien

Elektrifizierung

Unter Elektrifizierung versteht man die Substitution fossiler Brennstoffe als Energieträger durch Strom. Beim Heizen bedeutet dies beispielsweise die Verwendung eines elektrischen Heizkörpers oder einer Wärmepumpe anstelle eines Gaskessels. Dies erleichtert den Energietransfer zwischen den Sektoren, da sauberer Strom direkt für den Antrieb von Wärmepumpen oder Elektrofahrzeugen verwendet werden kann, ohne dass ein Zwischenprodukt wie E-Treibstoff benötigt wird.

Darüber hinaus führt die Elektrifizierung der energieverbrauchenden Sektoren auch zu mehr Flexibilität im gesamten Energiesystem. Mit Technologien zur Nachfragesteuerung kann diese Flexibilität genutzt werden, um den Stromverbrauch an die Erzeugung anzupassen.

Power-to-X

Power-to-X oder Power-to-Everything bezeichnet die Nutzung von sauberem Strom zur Herstellung klimaneutraler chemischer Energieträger, wie Wasserstoff oder E-Fuels. Diese Umwandlung macht Power-to-X weit weniger energieeffizient als die Elektrifizierung. Viele synthetisch hergestellte saubere Brennstoffe können jedoch fossile Brennstoffe direkt ersetzen, ohne dass bestehende Infrastrukturen und Maschinen verändert werden müssen. So kann beispielsweise ein Gaskessel mit Wasserstoff anstelle von Erdgas betrieben werden.

Zusammenhängende Sektoren

Heizen

Elektrodenkessel nutzen elektrischen Strom, um Wasser direkt zu erhitzen, ohne dabei einen Verbrennungsprozess zu benötigen. Da der Strom direkt in das Wasser geleitet wird, sind Elektrodenkessel effizienter als andere Formen von elektrischen Kesseln, wie beispielsweise Heizstäbe. Elektrodenkessel ermöglichen hohe Temperaturen und die Erzeugung von Dampf. Sie werden hauptsächlich im industriellen Kontext eingesetzt.

Wärmepumpen übertragen Wärme von einem Ort zum anderen, anstatt selbst Wärme zu erzeugen. Sie sind äußerst effizient beim Heizen und Kühlen von Gebäuden, stecken aber noch in den Kinderschuhen, wenn es um industrielle Anwendungen geht.

Heizstäbe oder Heizelemente wandeln elektrische Energie durch den Prozess des Widerstands in Wärme um. Sie sind im Vergleich günstig, jedoch weniger effizient.

Power-to-Gas ist die Erzeugung von Gas mittels elektrischer Energie. Dieses Gas kann in konventionellen Kesseln verwendet werden, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Es ist besonders effektiv bei der Einsparung von fossilen Brennstoffen im industriellen Kontext, um dennoch die dort erforderlichen Temperaturen von über 500°C zu erreichen.

Mobilität

Synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) sind synthetische Brennstoffe, die konventionelle, fossile Brennstoffe ersetzen können. Sie werden unter Verwendung einer Kombination aus Wasserstoff und erfasstem Kohlenstoffdioxid oder Kohlenmonoxid synthetisiert. Obwohl sie über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg kohlenstoffneutral sind, produzieren sie dennoch lokale Emissionen. Darüber hinaus haben sie eine extrem geringe Energieeffizienz.

Elektrofahrzeuge (EVs) werden mit Strom betrieben, der in einer internen Batterie gespeichert ist. Das macht Umwandlungen überflüssig und EVs überaus effizient.

Power-to-Hydrogen ist die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff mithilfe von Elektrizität. Für diesen Prozess wird ein Elektrolyseur benötigt. Der Wasserstoff ist dann zum Beispiel als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendbar. Wie auch andere Umwandlungen von elektrischer Energie in chemische Energieträger ist dieser Prozess ebenfalls relativ ineffizient.

Energieoptimierung

Smart Charging

EVs bieten dem Stromsystem viel Flexibilität. Mittels verschiedener Ladestrategien für Elektrofahrzeuge können die EVs zu Zeiten geladen werden, in denen ausreichend erneuerbare Energie verfügbar ist. Damit sparen Besitzer:innen von EVs Kosten und können erneuerbare Energie nutzen, die sonst ungenutzt bliebe.

Vehicle-to-Grid

Genau wie EVs Überschussstrom nutzen können, ermöglicht es bidirektionales Laden, dass sie als Stromquelle agieren können, wenn die Stromerzeugung knapp ist. Dies verringert die Notwendigkeit von Kraftwerken, die auf fossilen Brennstoffen basieren, wie zum Beispiel Gaskraftwerke. Darüber hinaus reduzieren sich die Betriebskosten von E-Autos weiter, wenn Besitzer:innen von EVs für ihre Flexibilität finanzielle Abgeltungen erhalten.

Saisonale Energiespeicherung

Einerseits ist die Umwandlung von Elektrizität in chemische Energieträger mit hohen Verlusten verbunden, andererseits sind diese chemischen Energieträger sehr gut geeignet, um große Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern. So kann Wasserstoff beispielsweise in Kavernen oder erschöpften Gasfeldern gespeichert werden.

Auswirkungen von Sektorenkopplung

Sektorenkopplung bietet sowohl Chancen als auch Herausforderungen für zukünftige erneuerbare Energiesysteme. Die Integration von Strom, Heizung, Mobilität und Industrie ist entscheidend, um Energieeffizienz und Flexibilität zu maximieren und sicherzustellen, dass der notwendige Anteil erneuerbarer Energien in die Stromversorgung integriert werden kann. Dies erfordert jedoch auch ganzheitliche und anspruchsvollere Lösungen, die den unterschiedlichen Anforderungen und der Komplexität Rechnung tragen. Energieunternehmen müssen Dienstleistungen bündeln und diese Komplexität für Endnutzer:innen reduzieren, um nachhaltige digitale Energielösungen zur selbstverständlichsten Wahl zu machen.