Vor zwei Jahren veröffentlichte Hans-Martin Henning, stellvertretender Direktor des Fraunhofer ISE, zum ersten Mal seine Modellierung eines grünen Energiesystems. Seitdem feilt er daran mit dem Resultat, dass es jedes Jahr genauer wird. Anfangs modellierte er ein System,bei dem Strom und Wärme nur regenerativ erzeugt werden. Letztes Jahr berechnete er,wie der Plan der Bundesregierung, CO2 bis 2050 um 80 Prozent zu senken, am kostengünstigsten umgesetzt werden kann (Für Hintergrundinformation zu Energieszenarien und Ausbauzielen siehe Themenseite 200 Gigawatt). Jetzt legte er anhand einer ersten Abschätzung dar, wann die durch die Energiewende eingesparten Rohstoffkosten höher sind als die Investitionssumme, die zum Aufbau von Windkraft, Photovoltaik, Speicher und was sonst noch gebraucht wird: vermutlich in 15 bis 25 Jahren. Danach haben die Bundesbürger definitiv mehr Geld in der Kasse als ohne Energiewende.
Hennings Modell umfasst nicht nur die Versorgung mit Strom und Wärme, sondern auch die Energieversorgung des Verkehrs. Er gibt dem Programm einen Wert für die geplante CO2 Absenkung vor. Außerdem sind Randbedingungen hinterlegt, was einzelne Energieträger und Speichertechnologien kosten, wie groß der Bedarf an Energie ist, ob es eventuell Beschränkungen gibt wie zum Beispiel dadurch, dass nicht beliebig viel Biomasse nachhaltig erzeigt werden kann. Das Programm berechnet daraus die kostengünstigste Kombination der einzelnen Energieträger. Dabei berücksichtigt es explizit, dass zu jeden Zeitpunkt genügend Energie vorhanden ist. Es zeigt sich, dass es etliche Szenarien gibt, die ähnlich viel kosten. Man könne etwa entscheiden, Häuser besser zu dämmen und dafür weniger erneuerbare Energien einzusetzen oder umgekehrt. Auf die Kosten habe das wenig Einfluss.
Diese Grafik zeigt, wie sich die nach dem ISE Modell die jährlichen Kosten der Energieversorgung heute und im Jahr 2050 darstellen (blau: fossil, rot: nuklear, grün: erneuerbar). Das simulierte Energiesystem für 2050 spart 80 Prozent des Kohlendioxids ein. Für die Kosten der fossilen Rohstoffe wurde angenommen, dass sie pro Jahr im Schnitt zwei Prozent steigen. Das System für 2050 hat außerdem den Vorteil, dass die Wertschöpfung zu einem größeren Teil in Deutschland selber stattfindet als wenn Rohstoffe importiert werden. (Grafik: Fraunhofer ISE)
Energiemix 2050
Um das neue Stromsystem aufzubauen, müssen bis 2050 zum Beispiel rund 150 Gigawatt Photovoltaik installiert werden, 120 Gigawatt Onshore- und 32 Gigawatt Offshore-Windkraft, wobei ein Teil des Ausbaus auch über Repowering stattfindet, dass etwa niedrigere Windkraftanlagen durch höhere ersetzt werden. Es sind etwa 60 Gigawatt KWK-Anlagen „mittlerer und hoher Leistung“ installiert. Das sollte dann auch die Frage der Backup-Kraftwerke weitgehend lösen: Die Maximallast in Deutschland beträgt etwa 80 Gigawatt. Wenn wirklich einmal fast keine Sonne scheint, fast kein Wind weht und die elektrischen Energiespeicher leer sind, können die KWK-Anlagen einspringen.
In dem Szenario sind auch Solarthermieanlagen vorgesehen, jeweils rund 40 Gigawatt zentral und 40 Gigawatt dezentral. Ob die damit erzeugte Wärme am Ende besser solarthermisch oder mit Photovoltaik hergestellt wird, liegt allerdings rein an den im Modell hinterlegten Kosten für die beiden Varianten der Solarenergienutzung. In der Realität wird es auch noch andere Parameter geben, die hineinspielen, zum Beispiel die verfügbare Dachfläche und die benötigten Vorlauftemperaturen für die Heizung. Es ist aber durchaus möglich, dass von diesen 80 Gigawatt noch ein Teil über Photovoltaik (in Kombination mit Wärmepumpe oder Heizstab) realisiert wird.
In dem Modell, das ja nur 80 Prozent des Kohlendioxidausstoßes einspart, haben einen Erdgas und kleine Anteile anderer fossiler Energieträger noch einen beachtlichen Anteil an. Sie stellen rund 40 Prozent der Primärenergie zur Verfügung.
Das ISE ist nicht das einzige Institut, das solche Szenarien rechnet (zu anderen Szenarien siehe zum Beispielhier undhier). Das besondere am ISE Modell ist, dass der Rechner selbstständig das Optimum sucht. Sonst ist es üblich, dass Computer nur die konsistenz von vorgegebenen Szenarien prüfen.
Hans-Martin Henning hat ein Szenario entwickelt, wie schnell die erneuerbaren Energien aufgebaut werden können. Die jährlich installierte Photovoltaikleistung liegt zwischen knapp 5 und maximal 7,5 Gigawatt. (Grafik: Fraunhofer ISE)
Diese Grafik zeigt die Investitionen im Vergleich zu den vermiedenen Brennstoffkosten. Die bunten Balken unten in der Grafik sind die Investitionskosten in erneuerbare Energien, die bis 2050 zu einer 80 prozentigen Absenkungen führen und dem Zubauszenario in der vorhergehenden Grafik entsprechen. Die durchgezogenen Linien durch die erneuerbaren Energien eingesparten Kosten für fossile Brennstoffe. (Grafik: Fraunhofer ISE)
Auch für den Übergang von der heutigen Energiewelt in die Energiewelt 2050 haben die Wissenschaftler am ISE erste Abschätzungen gemacht und Szenarien entwickelt. Daraus lassen sich dann die Kosten bestimmen. Nach der Grafik sind die Kosten der Energiewende schon ab Anfang der 2020er Jahre kompensiert. Doch fehlen in der Betrachtung noch die sonstigen Kosten für zum Beispiel Netzausbau. Daher schätzt Henning den Zeitraum, ab den die Energiewende direkt auch schon finanziell vorteilhaft zum Status Quo ist, mit 15 bis 20 Jahren ein. Andererseits hat er den Investitionen in den Ausbau erneuerbare Energien nicht gegenübergestellt, wie viel die in ein konventionelles Energiesystem investiert werden müsste, würde man auf den Ausbau der erneuerbaren Energien verzichten. Insofern ist die Abschätzung des ISE sogar eher konservativ.
Wie fahren 2050 die Autos?
Um die Frage zu beantworten, wie der Verkehrssektor umgebaut werden sollte, hat Henning die verschiedenen Möglichkeiten, die Mobilität unabhängig von fossilen Brennstoffen machen, mit in sein Energiesystem-Modell mit aufgenommen und drei Extremszenarien gerechnet: den Umstieg auf fast nur mit Erdgas oder synthetisch hergestelltem Erdgas betriebene Autos, den Umstieg auf fast nur mit Wasserstoff betriebene Autos, den Umstieg auf fast nur mit Strom aus Batterien betriebene Autos.
Das beruhigende Ergebnis: alle Varianten sind realisierbar. Die Erdgas Variante erweist sich dabei am energie-ineffizientestem, so dass erneuerbare Energien etwas mehr ausgebaut werden müssen als in den anderen Varianten. Außerdem werden Power-to-Gas Anlagen mit etwa 50 Gigawatt Leistung benötigt. Im Szenario „hauptsächlich Batteriebetriebene Autos“ sind es nur knapp über 20 Gigawatt. Diese werden auf jeden Fall benötigt, damit jederzeit genug Strom zur Verfügung steht.
Henning will für die verschiedenen Varianten noch keine Kostenschätzung geben, da diese vermutlich viel zu ungenau wäre. Er vermutet sowieso, dass es am Ende einen Mix der verschiedenen Antriebsarten geben wird. Im städtischen Umfeld werden es vielleicht eher batteriebetriebene Fahrzeuge sein, für die Langstrecke unter Umständen wasserstoffbetriebene. Allerdings hat auch die Variante mit natürlichem oder synthetischem Erdgas einige Vorteile. Für sie spricht insbesondere, dass die Infrastruktur teilweise bereits vorhanden und ein gleitender Übergang möglich ist.
Wie geht es weiter?
Zwei wichtige Fragen kann Hans-Martin Henning noch nicht beantworten. Das ist zum einen die nach der besten Geschwindigkeit für die Transformation und den Zubau erneuerbarer Energien. Es kann durchaus sinnvoll sein, den Zubau erneuerbarer Energien zu beschleunigen. Für den Klimaschutz wäre das natürlich sowieso gut und notwendig, aber eventuell wäre es auch kostengünstiger, weil so die fossilen Rohstoffkosten schon früher eingespart würden. Den Zubau im bisherigen Modell hat er nach dem Kriterium festgelegt, dass die Ausbauziele bis 2015 mit einem möglichst gleichmäßigen Zubau erreicht werden sollen. Derzeit rechnen die Computer des Fraunhofer-Instituts verschiedene Transformationsszenarien im Detail, um die optimale Ausbaurate zu bestimmen.
Die zweite Frage bisher nicht beantwortete Frage ist, wie man den Kohlendioxidausstoß noch unter 80 Prozent des Wertes von 1990 reduzieren kann, auf 90 oder 95 Prozent. Auf die Bemerkung, „das ISE sei in seinen Ausbauzielen ja auch schon einmal ehrgeiziger gewesen“ (das erste Szenario rechnete ja fast 100 Prozent erneuerbarer Energien und nicht 60 Prozent), sagt Henning, dass das in diesem Fall nichts mit Ehrgeiz zu tun habe. Jetzt wollten sie ein Energiesystem berechnen, das den Reduktions-Vorgaben der Bundesregierung entspreche. Wenn man darüber hinausgehen wolle, werde es deutlich komplizierter, die letzten 20 Prozent seien schwieriger als die ersten 80.
Eventuell ist es für eine weitere Reduktion eine sinnvolle Möglichkeit, den in dem Energiesystem noch eingeplanten 40 Prozent Erdgasanteil durch Gas zu ersetzen, das im Sonnengürtel der Erde mit Photovoltaik hergestellt und dann nach Deutschland exportiert wird. Eine Art Desertec, bei dem statt Strom Gas fließt. Man könnte das Gas auch in Deutschland selbst herstellen, dann muss man jedoch die erneuerbaren Energien noch deutlich stärker ausbauen.
Für einen wichtigen Punkt verweist Hans-Martin Henning an die Politik. Er und seine Kollegen würden ein Modell entwickeln, das bei „volkswirtschaftlich optimaler Betriebsführung“ das kostengünstigste ist, mit dem bestimmte Reduktionsziele erreicht werden. Die Politik müsse aber die Anreize für Geschäftsmodelle setzen, mit dem dieses Modell möglichst gut umgesetzt wird. (Michael Fuhs)
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