Sektorenkopplung – Schlüsseltechnologie der Energiewende

Noch immer werden große Mengen fossiler Energieträger für die Wärmeerzeugung und als Kraftstoff im Verkehr eingesetzt. Sektorenkopplung ist der technologische Ansatz, diese Energieträger durch umweltfreundlich erzeugten Strom zu ersetzen.
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    Begriff

    Was ist Sektorenkopplung?

    Sektorkopplung heißt, fossile Energieträger durch erneuerbare zu ersetzen und sektorenübergreifende Lösungen zu finden, die zum einen eine effizientere Energienutzung erlauben und zum anderen die Volatilität (schwankende Mengen) der Erneuerbaren ausgleichen.  

    Im Zusammenhang mit der Volatilität muss erwähnt werden, dass die Sektorenkopplung eng verbunden mit der Einführung „smarterer“ / „intelligenterer“ Stromnetze ist, da nur durch die ständige Messung und Steuerung ein Abgleich zwischen Verbrauch und Erzeugung realisierbar ist. 

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    Sektoren

    Um welche Sektoren geht es?

    Wie bei der Sektorenkopplung gibt es auch bei den Sektoren selbst mehrere abweichende Begrifflichkeiten. Den Energiesektoren Strom, Wärme, Gas und Mobilität stehen die Verbrauchssektoren Haushalt, Gewerbe, Industrie und Verkehr (auch Transport) gegenüber. In den meisten Darstellungen zur Sektorenkopplung findet sich folgende Mischform: Strom, Wärme und Verkehr (Mobilität), gelegentlich ergänzt um die Industrie als Großverbraucher bzw. Anwender spezifischer Lösungen. Immer wieder verwendet wird auch eine Einteilung nach den wirtschaftlichen Verbrauchern der Energie: Energiewirtschaft, Industrieprozesse, verarbeitendes Gewerbe, Landwirtschaft, Abfall und Abwasser etc.  

    Ziel

    Welches Ziel verfolgt die Sektorenkopplung?

    Die Sektorenkopplung soll einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung ambitionierter Klimaschutzziele leisten. Dies geschieht durch den verstärkten Einsatz von erneuerbarem Strom zum Ersatz von fossilen Energieträgern in den Sektoren Verkehr, Wärme und Industrie. Zudem soll der Einsatz effizienter Technologien die Gesamtmenge der benötigten Energie senken. Wichtigstes übergeordnetes Ziel ist die Reduktion von Treibhausgasen, wie sie beim Verbrennen von Kohle, Erdgas oder Erdöl entstehen und den Klimawandel vorantreiben. Des Weiteren soll die Sektorkopplung auch zum Verzicht auf Atomenergie beitragen.  

    Umsetzung

    Welche Arten der Sektorenkopplung gibt es?

    Eine der effektivsten Formen der Sektorenkopplung ist die Bereitstellung von Raumwärme oder Warmwasser mittels einer Wärmepumpe. Da hier keine Energie „erzeugt“ (umgewandelt), sondern nur von einem Temperaturreservoir zu einem anderen transportiert wird, gelingt mit der Wärmepumpe das scheinbar Unmögliche. Die als Wärme zur Verfügung gestellte Energie ist um ein Vielfaches größer als die eingesetzte elektrische Energie. Erfahren Sie hier mehr zur Wärmepumpe

    Das direkte Erhitzen eines Speichermediums mittels einer elektrischen Widerstandsheizung (zählt wie die Wärmepumpe zur Power-to-Heat-Sektorkopplung) ist zwar nur mit geringen Energieverlusten verbunden, allerdings kann nur so viel Wärmeenergie erzeugt werden, wie elektrische Energie eingesetzt wurde.  

    Besonders günstig und klimaschonend ist die Nutzung von Solarstrom für Elektrofahrzeuge. Die frei zugängliche und kostenlose Sonnenenergie wird in Strom umgewandelt, mit dem die Batterien des E-Autos aufgeladen werden. Günstiger geht es kaum. Hinzu kommt, dass der E-Motor die zugeführte Energie deutlich besser verwertet als ein Verbrennungsmotor: Die Wirkungsgrade liegen bei über 70 im Vergleich zu ca. 30 Prozent (die Angaben schwanken hier stark). Wird für das Elektroauto Strom vom eigenen Dach verwendet, dürfte die Gesamtbilanz noch deutlich besser ausfallen.  

    Während Wärmepumpe und Elektromobilität hinsichtlich ihrer Effizienz glänzen, haben andere Formen der Sektorenkopplung häufig eine weniger überzeugende energetische Gesamtbilanz. So ist die Umwandlung von Strom in Wasserstoff, Methan (Power-to-Gas) oder synthetische Kraftstoffe (Power-to-Liquid, E-Fuels) selbst sehr energieaufwändig. Beim Wasserstoffauto geht man von einem Gesamtwirkungsgrad von unter 20 % aus – der entscheidende Grund, warum es nicht sinnvoll ist, flächendeckend auf diese Technologie zu setzen. 

    Dass die weniger effizienten Formen der Sektorenkopplung nicht von vornherein verworfen werden müssen, hat vor allem zwei Gründe: Zum einen ermöglicht die Umwandlung von Strom zum Beispiel in Wasserstoff eine einfache Speicherung von Energie und eröffnet so eine Möglichkeit, Schwankungen in der Versorgung mit Erneuerbaren auszugleichen. Zum anderen lassen sich auf diesem Wege Anwendungen umsetzen, die eine hohe Energiedichte erfordern. So kann mittels Wasserstoffverbrennung genügend Energie erzeugt werden, um Stahl zu schmelzen. Mit einer Wärmepumpe ist das nicht möglich. 

    Strom für die E-Mobilität durch Sektorenkopplung
    Energiewende

    Sektorenkopplung und Energiewende

    Seit ca. 200 Jahren, also seit Beginn des Industriezeitalters, verbrennen die Menschen große Mengen fossiler Energieträger. Der in Form von Kohle, Öl oder Gas im Erdinneren gebundene Kohlenstoff wird dadurch als CO₂ freigesetzt. Die Konzentration des Treibhausgases hat sich dadurch nachweislich von Werten zwischen 150 bis 300 ppm auf deutlich über 400 ppm erhöht, Tendenz steigend. Was auf den ersten Blick nicht viel scheint (ppm steht für parts per million, also ein Teil von einer Million), hat jedoch weitreichende Auswirkungen. Kohlendioxid aber auch andere Klimagase wie Methan oder Lachgas tragen zum sogenannten Treibhausgaseffekt bei. Umso höher ihre Konzentration in der Atmosphäre ist, umso stärker heizt sich diese auf, denn die Gase verhindern eine Rückstrahlung der Wärme ins Weltall.  

    Fossile Energieträger durch Strom ersetzen

    Die Auswirkung einer höheren globalen Durchschnittstemperatur sind mittlerweile kaum noch zu übersehen und die Aufgabe, die Treibhausgasemissionen zu verringern, wird immer dringender. Die Sektorenkopplung bietet eine technische Möglichkeit, die Menge an fossilen Rohstoffen, die für Energiegewinnung, Wärmeerzeugung und Verkehr eingesetzt werden, zu reduzieren und diese durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Daher kommt der Sektorenkopplung neben der Energieeinsparung eine zentrale Rolle bei der Energiewende in Deutschland zu.  

    Unterschiedliche Erfolge in den Sektoren

    Untersucht man die Sektoren nach Ihrem Anteil an den Treibhausgasemissionen, so liegt die Energiewirtschaft ganz vorn, gefolgt vom Industriesektor und dem Verkehr. Diese drei Sektoren sind in etwa für drei Viertel der gesamten Emissionen verantwortlich, zusammen mit dem Gebäudesektor sind es sogar 90 %. In diesen Bereichen liegen also die größten Einsparpotentiale.  

    Während in der Energiewirtschaft seit 1990 bereits deutliche Einsparungen von ca. 40 % erzielt werden konnten, stagniert der Verkehrsbereich – die CO-Emissionen sind nach über 30 Jahren nahezu unverändert. Das soll sich vor allem Mithilfe der Umstellung auf Elektromobilität ändern. Derzeit wird noch diskutiert, welchen Anteil synthetische Kraftstoffe oder Wasserstoff an der „Verkehrswende“ haben werden. Während das Potential für private Fahrzeuge wohl eher gering ist, sind vor allem Wasserstoff-basierte Lösungen für schwere Arbeitsmaschinen, Busse und Lkws etc. denkbar.  

    Eine Übersicht über das bisher Erreichte gibt Ihnen die Broschüre "Klimaschutz in Zahlen", herausgegeben vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) im Jahr 2020.

    Ist die Sektorenkopplung nur mit erneuerbaren Energien denkbar? 

    Prinzipiell lassen sich alle genannten Verfahren auch mit fossilen Energieträgern umsetzen. Ob die Wärmepumpe, das Elektroauto oder die Elektrolyse von Wasser mit grünem oder fossilem Strom betrieben werden, ist technisch belanglos. Mit anderen Worten: Die Sektorkopplung funktioniert auch mit Strom, der nicht umweltfreundlich erzeugt wurde. Das ist auch notwendig, denn der derzeitige deutsche Strommix besteht etwa zur Hälfte noch aus fossil erzeugter Energie.  

    Bleibt zu klären: Ist Sektorenkopplung mit fossilen Energieträgern sinnvoll? Diese Frage lässt sich klar mit Nein beantworten, mit Ausnahme vielleicht für die Wärmepumpe. Ansonsten bedeutet die Umwandlung von Strom in Mobilität oder Wärme immer auch einen gewissen Energieverlust, einen weiteren Schritt, der den Gesamtwirkungsgrad des Systems senkt. Das ist nicht nur mit ökonomischen Einbußen gleichzusetzen, es bringt auch keinerlei Gewinn für den Klimaschutz. Mit anderen Worten: Sektorenkopplung entfaltet ihre Wirkung erst, wenn der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.  

    Ein weiteres wichtiges Argument für den Einsatz erneuerbarer Energien im Rahmen der Sektorkopplung ist die verbrauchsnahe Energieerzeugung. Kommt z.B. der Strom vom eigenen Dach, sind die Transportwege und damit einhergehende Verluste sehr gering. Damit dieser Vorteil auch tatsächlich zum Tragen kommt, ist eine dezentrale Energieerzeugung stets Großprojekten mit langen Transportwegen vorzuziehen.

    PV-Strom für die Sektorkopplung
    Photovoltaik

    Sektorkopplung und PV

    Die eigene Photovoltaikanlage auf dem Dach ist die optimale Voraussetzung, um die Sektorenkopplung im eigenen Haushalt voranzutreiben. Mit dem kostengünstigen Strom können Sie: 

    Damit senken Sie nicht nur Ihre Energiekosten, sondern vermeiden auch jede Menge CO₂-Emissionen. Bei steigenden Preisen für fossile Energieträger und Kohlendioxid macht sich die Sektorkopplung zunehmend bezahlt. 

    Und Sie haben noch mehr Möglichkeiten, von der Sektorenkopplung zu profitieren. Über ein intelligentes Energiemanagement wie unseren SOLARWATT Manager kann der Solarstrom den Verbrauchern immer dann zur Verfügung gestellt werden, wenn der Überschuss groß genug ist, um die Geräte zu betreiben. Auch lassen sich darüber verschiedene Prioritäten für die einzelnen Großverbraucher festlegen. So holen Sie das Maximum aus Ihrem Solarstrom heraus und können auf teuren Netzstrom verzichten.  

    Im Rahmen der Sektorenkopplung ist es sinnvoll, die Dachfläche vollständig auszunutzen und diese mit möglichst vielen Solarmodulen zu belegen. Strom, der nicht sofort genutzt wird, kann mit einem Batteriespeicher wie unserer Battery flex für die Abendstunden gespeichert werden. Durch jede kWh Eigenverbrauch sparen Sie die Kosten für den immer teurer werdenden Netzstrom.  

    Warmwasser aus Strom Dank Sektorenkopplung
    Definition

    Welche Konzepte gibt es zur Sektorenkopplung

    Die Frage einer Definition des Begriffes Sektorenkopplung ist noch nicht abschließend geklärt. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Fraunhofer ISI haben unter anderem folgenden Vorschlag zur Diskussion gestellt: 

    „Erneuerbare Energieträger (Wind, PV, Biomasse, Solar- oder Erdwärme, …) substituieren in neuen Anwendungen oder durch verstärkte Nutzung von bekannten Anwendungen fossile Energieträger. Dies geschieht u.a. entweder durch direkte Stromnutzung oder die Umwandlung von Strom in synthetische Kraftstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid) oder in Wärme/Kälte (Power-toHeat), die man als Power-to-X (PtX) zusammenfassen kann.“ 

    Die Autorinnen und Autoren selbst weisen darauf hin, dass diese Definition der Sektorenkopplung recht eng gefasst ist und nicht alle Aspekte und Sichtweisen beinhaltet.  

    Quelle: Wietschel et al.: Sektorkopplung – Definition, Chancen und Herausforderungen (Working Paper Sustainability and Innovation No. S 01/2018, Fraunhofer ISI) 

     

    In der Wikipedia heißt es zum Thema Sektorenkopplung:  

    „Unter Sektorenkopplung (auch Sektorkopplung oder engl. Sector Coupling oder Integrated Energy genannt) wird die Vernetzung der Sektoren der Energiewirtschaft sowie der Industrie verstanden, die gekoppelt, also in einem gemeinsamen holistischen Ansatz optimiert werden sollen. Traditionell wurden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung (bzw. Kälte), Verkehr und Industrie weitgehend unabhängig voneinander betrachtet.“ 

    Während in der ersten Definition also der Schwerpunkt auf den Ersatz fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien gelegt wird, steht bei der zweiten das übergreifende Optimieren aller Sektoren im Mittelpunkt. Beide Vorstellungen schließen sich jedoch nicht aus, sondern sie ergänzen sich.