Das Energiesystem der Zukunft: Konsequenzen des Ausbaus von Photovoltaik und Windkraft für eine flexible Energieversorgung

Die Energiewende ist beschlossen. In der Schweiz haben die Stimmberechtigten das mit der Annahme der Energiestrategie 2050 im Mai 2017 zum Ausdruck gebracht. Dies beinhaltet den Ausstieg aus der Kernenergie, das Umsteigen auf erneuerbare Energien und die effiziente Nutzung der Energie. Hierfür sollen geeignete energiepolitische Rahmenbedingungen gesetzt werden. Auch auf privater Ebene können wir unseren Teil beitragen, sei es als Liegenschaftsbesitzer oder als Mieter.

Die Energieversorgung der Zukunft wird größtenteils elektrisch sein. Treiber hierfür sind die energiepolitisch gesetzten Ziele Energieeffizienz und minimale Treibausgas-Emissionen. Das Energiesystem wird geprägt sein vom starken Ausbau erneuerbarer Energieträger, deren Produktion starken Schwankungen unterliegt:

  • In der Stromversorgung müssen die fossilen und nuklearen Bandlastkraftwerke ersetzt werden und regulierbare Mittellastkraftwerke auf fossiler Basis entfallen. Windkraft und Photovoltaik werden zukünftig die großen Beiträge liefern.
  • Die heute ebenfalls überwiegend auf fossiler Energie basierende Versorgung der Gebäude mit Raumheizung und Warmwasser wird vermehrt elektrifiziert, damit die Klimaschutzziele erreicht werden können. Viele der lokal vorhandenen Wärmequellen – beispielsweise Erdwärme, Grundwasser, Seewasser, Abwärme oder Aussenluft – eignen sich in Kombination mit einem erneuerten Gebäudepark gut für die Anwendung der Wärmepumpentechnologie.
  • Der Verkehrssektor ist noch am weitesten von einer Dekarbonisierung entfernt. Hier ist der Substitutionsbedarf besonders gross und nachhaltige Alternativen in vielen Teilen noch weit entfernt. Einzig in den Bereichen öffentlicher und privater Landverkehr ist mit der Elektromobilität eine CO2-arme Alternative vorhanden.

Aufgrund neuer Anwendungen wird der Stromverbrauch also in Zukunft steigen, soweit der Anstieg nicht durch Effizienzmaßnahmen in den bisherigen Anwendungsbereichen aufgefangen werden kann. Zugleich wird einerseits der Ausgleich auf Produktionsseite anspruchsvoller, andererseits eröffnen sich auf der Nachfrageseite durch die zunehmende Koppelung der Energiesektoren neue Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Energieversorgung. Diese gilt es im Hinblick auf die sektorübergreifende Optimierung des gesamten Energiesystems zu erschliessen.

Ausgleich von Energieproduktion und –verbrauch

Mögliche Flexibilisierungsmaßnahmen

Abb 1: Für den Ausgleich zwischen Stromproduktion und –verbrauch wird zukünftig eine Vielzahl von Flexibilisierungsmassnahmen zum Einsatz kommen. (Bilder: ewz)

Die Übersicht zeigt: Es bestehen bereits heute vielfältige Flexibilitätsoptionen, neue werden hinzukommen. Besonderes Augenmerk wird auf einen ausgeglichenen Kapazitätsausbau gelegt werden müssen. Photovoltaik-Anlagen, die nach Osten und Westen ausgelegt werden, helfen, Produktionsspitzen während der Mittagszeit zu glätten. Schwankungen bei der Windproduktion werden reduziert, wenn der Kapazitätsausbau gleichmäßiger über Europa verteilt und unterschiedliche Produktionszeiten von Wind- und PV-Anlagen für den Ausgleich genutzt werden.

Rahmenbedingungen für den Ausgleichsbedarf

Wie hoch der Flexibilisierungsbedarf sein wird und in welcher Form ein Ausgleich am effizientesten stattfindet, hängt von verschiedenen Rahmenbedingungen ab, die teilweise energiepolitisch festgelegt werden. Aufgrund des hohen Anteils Wasserkraftproduktion in der Schweiz – von dem wiederum über 50 Prozent aus Speicherkraftwerken stammt, wird der Anteil der unregelmäßig anfallenden Stromproduktion und damit der zusätzliche Speicherbedarf sicher geringer ausfallen als in Deutschland. Aber auch unter erschwerten Rahmenbedingungen wie in Deutschland haben stundengenaue Modellierungen gezeigt, dass erst bei einem sehr ambitionierten CO2-Absenkpfad in Kombination mit einem stark eingeschränkten internationalen Handel zusätzliche Speicherinfrastruktur wie beispielsweise Power-to-Gas für Stromanwendungen nötig sein wird (Studie «Energiesystem Deutschland 2050» des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE). Zentral ist dabei allerdings ein ambitionierter Absenkpfad beim Heizwärmebedarf, das heißt eine hohe Erneuerungsrate des Gebäudeparks.

Situation im städtischen Kontext am Beispiel der Stadt Zürich

Die Stadt Zürich weist bei den Wohnbauten derzeit eine Erneuerungsrate von nahe zwei Prozent auf, wobei neben den Bestandeserneuerungen vor allem der Anteil Ersatzneubauten kontinuierlich steigt (Analyse «Bauliche Erneuerung in Zahlen» von Statistik Stadt Zürich). Im Jahr 2015 war bereits fast jede dritte erneuerte Wohnung ein Ersatzneubau. Da bei Ersatzneubauten die energetischen Vorschriften von Neubauten zum Tragen kommen, ist damit in der Regel eine massive Effizienzsteigerung verbunden und es kommen erneuerbare Energien zum Einsatz. Der Stadt stehen zudem für die CO2-arme Wärmeversorgung neben strombasierten Wärmepumpen die Abwärme aus der Kehrichtverbrennung, ein Holzheizkraftwerk und zukünftig die Abwärme aus der Kläranlage zur Verfügung. Damit dürfte der Bedarf nach zusätzlicher Flexibilität im städtischen Kontext weit weniger groß sein (siehe Abbildung 2).

Verteilung Energiesysteme 2050

Abb. 2 Deckungsbeitrag der Energiesysteme im Jahr 2050 gem. Effizienzszenario im „Konzept Energieversorgung 2050“ der Stadt Zürich. (Quelle: Planungsbericht Energieversorgung. Beilage 3 zu Stadtratsbeschluss Nr. 1077/2016)

Was können wir beitragen?

Auf privater Ebene gelten ähnliche Überlegungen wie für das Gesamtsystem. Der erste Beitrag zur Energiewende sollte bei der Steigerung der Energieeffizienz ansetzen, zunächst bei den klassischen Stromanwendungen, zum Beispiel bei den Haushalts- oder Unterhaltungsgeräten. Im Hinblick auf die Klimaschutzziele ist auch im Wärmebereich das Augenmerk auf eine möglichst effiziente Nutzung der Energie zu richten. Das beginnt mit Überlegungen zum Flächenverbrauch pro Person, betrifft weiter den Effizienzgrad des Gebäudes (Energieverbrauch pro Fläche) und das Energieversorgungssystem (fossil oder nicht fossil). Eine eigene Photovoltaik-Anlage auf dem Dach ist per se noch nicht ökologisch. Einen Beitrag zur Optimierung des Gesamtsystems liefert beispielsweise eine Ost-West-Ausrichtung der Anlage. Bei einer eigenen Anlage besteht die Herausforderung darin, einen möglichst hohen Anteil der Stromerzeugung zeitgleich zu verbrauchen. So verstärkt die Anlage nicht zusätzlich die Produktionsspitze über die Mittagszeit und damit die Gesamtbelastung des Netzes. Am ehesten bietet sich die Installation einer PV-Anlage an, wenn sie in Kombination mit flexiblen Verbrauchern vor Ort, beispielsweise einer Wärmepumpe oder einem Elektroauto genutzt werden kann. Ein Batteriespeicher bedeutet grundsätzlich mehr graue Energie sowie einen Effizienzverlust und müsste – wenn er ökologisch im Sinne des Gesamtsystems betrieben werden soll – möglichst netzdienlich eingesetzt werden. Seine Speicherkapazität ist zudem im Vergleich zur thermischen Speicherkapazität der Gebäudemasse und des Warmwassers um ein Vielfaches geringer. Wer sich nicht mit der Ausgleichsthematik im eigenen Haus beschäftigen und trotzdem einen Beitrag zur Energiewende leisten will, kann sich auch an einer effizienten Anlage mit möglichst ausgeglichenem Produktionsprofil beteiligen und sich den Solarstrom gut schreiben lassen oder entsprechende Stromprodukte wählen.

— Die Autorin Martina Blum arbeitet als Energieexpertin beim Energiebeauftragten der Stadt Zürich. Dort ist sie verantwortlich für die Umsetzung des Masterplans Energie sowie die energiepolitische Berichterstattung. Sie ist Diplom-Ingenieurin Physikalische Technik (Fachhochschule München) mit Nachdiplom in Ecological Economics (MSc University of Edinburgh). Zuvor war sie für Swiss Re, AXA, Infras Consulting und im UNESCO Büro in Venedig tätig. Von 2009-2013 war sie Mitglied des Beirats der Klimastiftung Schweiz. Weitere Informationen zur Energiepolitik der Stadt Zürich finden Sie unter www.stadt-zuerich.ch/energiebeauftragter. —

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