Energy Concept for Germany, 100% renewable energy. document in German, june 2010.

1. Vision des FVEE für
ein 100 % erneuerbares
Energiesystem
Juni 2010

2. Vision des FVEE für ein 100 % erneuerbares Energiesystem
FVEE
Vision des FVEE für ein
100 % erneuerbares Energiesystem
Eine vollständige Versorgung Strom und erneuerbar gene-
auf der Basis erneuerbarer rierte Brennstoffe decken den
Energien ist möglich Bedarf der Endverbraucher
Der globale Klimawandel und die daraus abge- Für ein Energiesystem, dessen Energieversor-
leitete Notwendigkeit einer drastischen Reduzie- gung zu 100 % auf erneuerbaren Energieträgern
rung der CO2-Emissionen erfordern einen basiert, setzen wir bevorzugt auf die Erzeugung
raschen Umbau der gegenwärtigen Weltener- und Nutzung von Strom aus Quellen wie Wind-
giesysteme. Bei dieser Transformation werden kraft, Solarenergie, Wasserkraft und Geothermie
die erneuerbaren Energien unabhängig von den sowie die Bereitstellung eines chemischen
Abweichungen in den Details der zurzeit disku- Energieträgers z. B. in der Form von Kohlen-
tierten Szenarien eine wichtige Rolle spielen. In wasserstoffen oder Wasserstoff, gewonnen in
der Vision des FVEE ist es möglich, bei einer ge- zunehmendem Masse aus erneuerbaren
eigneten Strategie eine Vollversorgung auf der Quellen. Strom als Haupt-Energieträger wird
Grundlage von erneuerbaren Energien zu reali- zur Versorgung von Gebäuden, Transport und
sieren. Hierbei können die volkswirtschaftlichen Verkehr und für die industrielle Produktion zur
Kosten für das transformierte Energiesystem Verfügung gestellt und in einigen Bereichen wie
langfristig unter den auf der Basis fossiler Ener- z. B. dem Luftverkehr und für industrielle
gieträger beruhenden Alternativen liegen. Fertigungsprozesse wird die Energieversorgung
Dabei kommen die wichtigsten Beiträge aus der ergänzt durch einen chemischen Energieträger,
Direkterzeugung von Strom aus Wind, Sonne, wie beispielsweise Methan oder Kohlenwasser-
Wasserkraft, sowie Geothermie und biogenen stoffe. Wir gehen von einem Gesamtstrom-
Reststoffen. Im Wärmesektor kommen die Bei- bedarf von 700 TWh/a für Deutschland aus,
träge aus der Anwendung von Kraft-Wärme- dieses sollte erlauben, unter Einsatz von Effi-
Kopplung, Solarthermie und sinnvoll eingesetzten zienzsteigerungsmaßnahmen in der Nutzung,
Wärmepumpen. Durch die Einführung der Elek- neben dem dann weitgehend elektrifizierten
tromobilität kommt es im Verkehrssektor, sowie Individualverkehr auch den größten Anteil des
durch eine generelle Steigerung der Effizienz verbleibenden Wärmebedarfs der Gebäude und
in allen Bereichen zu erheblichen Energiereduk- einen großen Anteil der industriellen Prozess-
tionen. Eine Vernetzung dieser Elemente über wärme abzudecken (SRU 2010). Der Zusatzbe-
ein europaweites Verbundnetz mit hoher Kapa- darf für den Schwerlastverkehr, Flugverkehr und
zität sowie lokale smart-grids zur Optimierung die Industrie wird mit einem Äquivalent von
von Angebot und Verbrauch führt auch dazu, 460 TWh abgeschätzt, der in der Form von
dass trotz hoher Anteile der fluktuierenden chemischen Energieträgern (Methan, Wasser-
Stromeinspeisung aus Windenergie und Son- stoff, erneuerbares Kerosin) aus Sekundär-Bio-
nenlicht im Zusammenspiel mit einem Ausbau masse und durch Umwandlung von Strom und
der Speicherkapazitäten die Stabilität und die durch weitere Konversionsverfahren bereitge-
Versorgungssicherheit der elektrischen Energie- stellt wird. Auf diesem Wege werden Flüssig-
versorgung gewährleistet werden können. treibstoffe für Schiffe oder Flugzeuge hergestellt,
die in Bezug auf CO2-Emissionen umwelt-
neutral sind.
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3. Vision des FVEE für ein 100 % erneuerbares Energiesystem
FVEE
Speicher und Netze müssen Materialien, zum anderen neue konzeptionelle
ausgebaut werden Ansätze und Innovationen in der Material-, Pro-
zess- und Systemoptimierung, um die Effizienz
der Energiebereitstellung zu erhöhen. Die Pro-
Aufgrund der nur teilweisen Verfügbarkeit von
jektionen des FVEE zeigen, wie sich diese Bereit-
Wind und Sonne als Quelle für die Energie müs-
stellungskosten für erneuerbare Energiequellen
sen Speicherkapazitäten geschaffen und neue
durch neue Erkenntnisse in der Forschung und
Verteilungsstrukturen in großem Maßstab auf-
in Abhängigkeit der global akkumulierten Erzeu-
gebaut werden. Dieses Vision ist konform mit
gungskapazitäten kontinuierlich nach unten
dem von der DLR entwickelten Modell REMIX
entwickelt haben und auch in Zukunft weiter
(DLR 2010) in dem Deutschland im Stromver-
sinken können, wenn es gelingt, die technischen
bund mit Dänemark und Norwegen analysiert
Voraussetzungen durch Forschungs- und Ent-
wird. Hierin wird die Einbindung insbesondere
wicklungserfolge zu schaffen. Hierbei wird
der in Norwegen vorhandenen Wasserkraft-
deutlich, dass die Mitglieder des Forschungs-
basierten Speicherkapazitäten ermöglicht. Die
Verbunds Erneuerbare Energien auf für die
schon derzeit existierenden Speicherkapazitäten
Transformation zu einem nachhaltigen Energie-
des Erdgasnetzes in Deutschland (120 TWh
system entscheidenden Technologiegebieten
äquivalent) können als weitere Komponente
wichtige Beiträge leisten und damit die erfor-
des Speichersystems im Zusammenspiel mit
derliche nationale Forschungsbasis darstellen.
industriellen Prozessen und der Mobilität CO2
neutral genutzt werden. Zusätzlich zu einem
Ausbau der Netze und Speicher, müssen Über-
kapazitäten in der installierten Kraftwerksleis-
Klimaschutz wird Realität
tung vorgehalten werden. Hier ergeben sich
Die mit der vorgestellten Strategie erreichbaren
je nach Auslegung des Gesamtsystems starke
Einsparungen an Primärenergie und die damit
Schwankungen in den Anforderungen, die sich
verbundenen Reduktion an CO2-Emissionen
auch erheblich auf die Kosten auswirken. Bei-
stehen mit den Klimaschutzzielen in Einklang.
spiele für die Stromversorgung findet man in
Mit Hilfe der erneuerbaren Energien lässt sich
der SRU Stellungnahme, aber eine detaillierte
die zur Vermeidung bzw. Abschwächung eines
Kapazitäts- und Kostenanalyse geht deutlich
drohenden Klimawandels erforderliche Reduk-
über den Rahmen der hier vorgestellten Vision
tion der CO2-Emissionen erreichen. Ausgangs-
hinaus und sollte durch Forschungsprojekte
punkt ist die Vernetzung und Kopplung aller
erarbeitet werden.
Elemente im Energiesystem, von der Bereitstel-
lung über Speicherung, Transport und Vertei-
lung bis zur Energiedienstleistung. Kernelement
Forschungserfolge als der Strategie ist die Reduktion des CO2-Aus-
dringend erforderliche Voraus- stoßes durch Vermeidung bzw. Verminderung
von Verbrennung fossiler Brennstoffe wie sie
setzung für die Umstellung heute überwiegend in Kraftwerken zur Strom-
erzeugung oder in Kraftfahrzeugen für den
Die zielgerichtete Forschung und Weiterent- mechanischen Antrieb Verwendung finden.
wicklung auf dem Gebiet der erneuerbaren So ersetzt beim aktuellen Kraftwerksmix in
Energien und der dezentralen Energieversor- Deutschland jede ohne Verbrennung z. B. mit
gung sind entscheidend, damit die demonstrier- Wind, Sonne oder Wasserkraft erzeugte Kilo-
ten technologischen Konzepte so skalierbar wattstunde die 2,5-fache Menge an sonst benö-
gestaltet werden können, dass sie den Anforde- tigter Primärenergie in Form von Kohle, dem
rungen des hier vorgestellten Gesamt-Systems am stärksten CO2 emittierenden Energieträger.
genügen und dass die Kosten für die Umstel- Deutliche CO2 Reduktionen in der Mobilität
lung entlang eines volkswirtschaftlich tragfähi- lassen sich über die verstärkte Nutzung elektri-
gen Pfades darstellbar werden. Dieses erfordert scher Energie realisieren, wenn eine Verlagerung
zum einen den Ersatz von teuren und in nur un- aus verbrennungsmotorisch angetriebenen
zureichender Menge zur Verfügung stehenden, Transportsystemen (PKW, LKW, Busse, Diesel-
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4. Vision des FVEE für ein 100 % erneuerbares Energiesystem
FVEE
loks) auf elektrische Transportmittel wie Bahn, gewinnung, basierend auf Photovoltaik und
Straßenbahn, Oberleitungsbusse und andere konzentrierenden solarthermischen Systemen,
elektrisch angetriebene Fahrzeuge erfolgt. Aller- wegen der höheren Sonneneinstrahlung bevor-
dings lassen sich große Fortschritte in der CO2 zugt im Mittelmeerraum einzusetzen ist. Die
Reduktion nur dann realisieren, wenn die Bereit- Einbindung solarthermischer Kraftwerke in die
stellung elektrischer Energie über erneuerbare nationale Energieversorgung bietet sowohl in
Energieträger erfolgt. Die gegenwärtig mit elek- Bezug auf die konkurrenzfähige Bereitstellung
trischen Transportsystemen verbundenen CO2 als auch auf die Versorgungssicherheit deutliche
Emissionen, die beim heutigen Kraftwerksmix Vorteile, wie sie z. B. in der Initiative „Desertec“
kaum unter denen von verbrennungsmotorisch beschrieben sind. Der Betrieb solarthermischer
angetriebenen Systemen liegen, sinken also in Kraftwerke benötigt einen hohen Anteil von
dem Maße, in dem sich die Emissionen bei der solarer Direktstrahlung, wie er nur in Südeuropa
Stromerzeugung durch zunehmende Anteile aus oder in Nordafrika zu finden ist; und diese Kraft-
erneuerbaren Energien reduzieren – im Idealfall werkstypen lassen sich durch Hinzunahme von
bis zum Grenzwert Null. lokalen thermischen Speichern auch in den
Abend- und Nachtstunden effizient betreiben.
Auch die niederexergetische Bereitstellung von
Heiz- und Prozesswärme durch die Verbrennung Weiterhin führt eine großflächig verteilte Erzeu-
von Öl und Gas bietet ungeachtet einer verbes- gung und Nutzung zu einem Ausgleich der an
serten Wärmedämmung über den Einsatz alter- den einzelnen Standorten auftretenden Fluk-
nativer Systeme für den noch verbleibenden tuationen. Die für den Transport von Solar- und
Heizbedarf hohe Potenziale für die CO2 Reduk- Windstrom aus geeigneten Standorten erforder-
tion. Für diesen Anwendungsbereich bieten sich lichen Hochleistungstransportnetze (in HGÜ-
in Zukunft eine Vielzahl von Alternativen an, die Technik) müssen mit ausreichenden Kapazitäten
den Niedertemperatur-Wärmebedarf vollständig ausgebaut werden. Diese Netze können zusätz-
abdecken können: Neben der Solarenergienut- lich zu dem regionalen Ausgleich fluktuierender
zung und der geothermalen Wärmebereitstel- Einspeiseleistungen oder Lasten auch die zeit-
lung werden sowohl die Kraft-Wärme-Kopplung lichen Fluktuationen durch den Anschluss an
(KWK) als auch der Einsatz von sinnvoll betrie- bestehende und noch zu erstellende Speicher-
benen Wärmepumpen eine wichtige Rolle im kraftwerke oder andere großen Speichersyste-
Energiesystem spielen. Bei geeigneter Auslegung men für die Bereitstellung von Regel- und
können diese Technologien über ein Last- bzw. Ausgleichsenergie bewältigen. In dem Maße,
Erzeugungsmanagement-Verfahren zur Stabilisie- in dem der Aufbau eines gesamteuropäischen
rung von elektrischen Netzen mit hohen Anteilen Netzes nicht gelingt, werden die Strombereit-
an fluktuierender Stromerzeugung (Wind, Sonne) stellungskosten steigen – auch wegen der dann
beitragen. erforderlichen zusätzlichen lokalen Energie-
speicher und Überkapazitäten.
Für die Integration sehr großer Anteile an erneu-
Energieversorgung als Aufgabe
erbaren Energien sind außer den beschriebenen
im europäischen Verbund Hoch- leistungstransportnetzen auch flexible
und interaktive Verteilungs- und Niederspan-
Bei der Bereitstellung elektrischer Energie kann nungsnetze erforderlich. Diese sog. smart-grids
der im Jahr 2009 bei rund 16 % liegende Anteil erlauben erstmalig das Zusammenspiel zwi-
der erneuerbaren Energien durch geeignete schen Erzeugung und Verbrauch und eröffnen
Rahmenbedingungen rasch erhöht werden. damit auch für Verbraucher die Möglichkeit,
Optimale wirtschaftliche Bedingungen lassen sich dem aktuellen Angebot anzupassen, z. B.
sich für eine nationale Vollversorgung mit erneu- über variable Tarife. Erste Projekte zur Demon-
erbaren Energien jedoch nur im europäischen stration der Leistungsfähigkeit von so genann-
Verbund erzielen. So existieren für die Wind- ten smart-grids werden zurzeit im Rahmen des
energienutzung hervorragende Standorte im e-energy-Programms durchgeführt.
Norden Europas während die solare Energie-
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5. Vision des FVEE für ein 100 % erneuerbares Energiesystem
FVEE
Energieeffizienz ist Voraus- Sinnvoll ist die Speicherung von Überschüssen
setzung für eine erfolgreiche der Stromproduktion im Erdgasnetz. Hierbei
wird beispielsweise über Elektrolyse zunächst
Transformation unserer Wasserstoff erzeugt, der in einem zweiten
Energieversorgung Schritt über die Reaktion mit CO2 zum Methan
führt. Dieses Konzept wurde erfolgreich demon-
striert, für eine notwendige Hochskalierung auf
Eine schnelle und ökonomisch tragbare Trans-
den für Deutschland oder Europa erforderlichen
formation unserer Energieversorgung erfordert
Bedarf muss jedoch noch intensiv an der Ent-
auch die effiziente Nutzung von Energie und
wicklung eines in ausreichender Menge vorhan-
damit die Senkung des Energiebedarfs in den
denen Katalysatormaterials sowie an einer
Bereichen Gebäude, Transport und Verkehr und
Verbesserung der Effizienz gearbeitet werden.
Industrielle Produktion. Der Steigerung der
Die Speicherkapazitäten des schon jetzt existie-
Energieeffizienz kommt deshalb eine entschei-
renden Erdgasnetzes können jedoch in hervor-
dende Rolle zu, weil auf diese Weise der Ener-
ragender Weise in das Energiekonzept einge-
gieverbrauch deutlich gesenkt werden kann,
bunden werden und können auch ohne wei-
ohne industrielle und kommerzielle Aktivitäten
teren Ausbau schon erheblich zur nachhaltigen
zu reduzieren oder auf Komfort z. B. im Wohn-
Energieversorgung beitragen.
bereich verzichten zu müssen. Wesentlich für
Deutschland ist dabei die energetische Sanie-
rung unseres Gebäudebestandes durch die Volkswirtschaftlich werden
Realisierung von hochwärmedämmenden
Kosten gesenkt und Arbeits-
Gebäudehüllen, Nutzung solarer Wärme zur
Heizung und Kühlung sowie innovativer Gebäu- plätze geschaffen
detechnik zur optimalen Regelung und Steue-
rung von Energieflüssen (z.B. Wärme, Kälte, Das Energiesystem, das auf eine Vollversorgung
Licht). Ein Beispiel für solch eine Effizienztechno- mit erneuerbarer Energie basiert, wird langfristig
logie ist die Wärmepumpe, die in Verbindung volkswirtschaftlich bei optimaler Auslegung
mit erneuerbarem Strom die Möglichkeit bietet, nicht teurer als das gegenwärtige. Der Ausbau
Gebäude nachhaltig mit Wärme zu versorgen. der erneuerbaren Energien verursacht zunächst
Ein weiteres Beispiel ist die Elektromobilität, die Mehrkosten sowohl in der Strom- und Wärme-
eine effiziente und im Betrieb emissionsfreie erzeugung als auch im Verkehrssektor, die je-
Alternative für den Individualverkehr sein kann. doch langfristig durch Einsparungen, z. B. durch
Einsparung für fossile Energieträger und gerin-
gere Kosten für die Vermeidung von Klimaschä-
Gasturbinen Kraftwerke den, überkompensiert werden. Die auf der Basis
von Forschung und Entwicklung realisierbare
und Gasnetze als flexible
Kostenreduktion ist hierbei perspektivisch ein
Generatoren und Speicher weiterer wichtiger Faktor für den wirtschaft-
lichen Erfolg der erneuerbaren Energien. Die
Für die Bereitstellung von Regel- und Aus- mit der Transformation des Energiesystems ver-
gleichsenergie in elektrischen Netzen werden bundenen Kosten tragen auch in erheblichem
in Zukunft so genannte Residuallast-Kraftwerke Masse zur Schaffung neuer Arbeitsplätze und
benötigt, die den Differenzbedarf zwischen den zur ausgezeichneten Perspektive für den Export
fluktuierenden Stromquellen und der aktuellen der neuen nachhaltigen Technologien bei. Diese
Last abdecken. Im Gegensatz zu Grundlastkraft- volkswirtschaftlichen Annahmen sind durch
werken sind ihre Laufzeiten kurz (z. B. 1000 detaillierte ökonomische Untersuchungen zu
Volllast-Betriebsstunden). Die Anforderungen quantifizieren. Insgesamt sprechen jedoch viele
an die zeitliche Dynamik der Leistungsbereit- Argumente für eine entschlossene Umsetzung
stellung sind jedoch sehr hoch. Dafür eignen der vorgestellten Strategie.
sich z. B. Gasturbinen-Spitzenkraftwerke.
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6. Vision des FVEE für ein 100 % erneuerbares Energiesystem
FVEE
Politik-Aufgabe: Der Forschungsverbund
Akzeptanz und Mitwirkung Erneuerbare Energien
der Bevölkerung generieren
Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien
(FVEE) ist eine bundesweite Kooperation von
Die vollständige Transformation des Energiever-
Forschungsinstituten. Die Mitglieder erforschen
sorgungssystems innerhalb der nächsten Jahr-
und entwickeln Techniken für erneuerbare Ener-
zehnte erfordert die Akzeptanz und aktive
gien und deren Integration in Energiesysteme,
Teilnahme der Bevölkerung sowohl als Investor
für Energieeffizienz und für Energiespeicherung.
als auch als Verbraucher, Betreiber und als politi-
Mit etwa 1800 Mitarbeitenden repräsentiert der
scher Souverän. Deshalb ist es eine unerlässliche
FVEE rund 80 % der Forschungskapazität für
Aufgabe für die Politik und alle beteiligten Ak-
Erneuerbare in Deutschland und ist das größte
teure, diese Vision und das zugrunde liegende
koordinierte Forschungsnetzwerk für erneuer-
Transformationskonzept ausführlich zu kommu-
bare Energien in Europa.
nizieren und zu erläutern sowie durch intensive
und kontinuierliche Öffentlichkeitsarbeit für alle
relevanten Zielgruppen dafür zu werben.
Mitglieder des
FVEE-Direktoriums
Prof. Dr. Horst Altgeld (IZES gGmbH)
Prof. Dr. Harald Bolt (Jülich)
Prof. Dr. Rolf Brendel (ISFH)
Prof. Dr. Vladimir Dyakonov (ZAE Bayern)
Prof. Dr. Dr. h.c. Wolfgang Eberhard (HZB)
Prof. Dr. Gerd Hauser (Fraunhofer IBP)
Prof. Dr. Dr. h.c. Reinhard Hüttl (GFZ)
Bernhard Milow (DLR)
Prof. Dr. Jürgen Schmid (Fraunhofer IWES)
Prof. Dr. Frithjof Staiß (ZSW)
Prof. Dr. Eicke Weber (Fraunhofer ISE)
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7. Geschäftsstelle des ForschungVerbunds Erneuerbare Energien c/o Helmholtz-Zentrum Berlin • Kekuléstraße 5
12489 Berlin Telefon: 030 / 8062-1338 • Telefax: 030 / 8062-1333 • fvee@helmholtz-berlin.de • www.fvee.de