Hans-Martin Henning ist ein vorsichtig argumentierender Wissenschaftler. Doch was er jetzt veröffentlicht hat, dürfte die Diskussion um den Weg zur Vollversorgung mit erneuerbaren Energien gehörig durcheinanderwirbeln. Der stellvertretende Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hat mit seinem Team die Komponenten einer Energieversorgung für das Jahr 2050 berechnet und in eine grafische Form gebracht. Diese macht klar, wohin die Reise gehen kann. „Wir wollen wissen, wie konsistente Systeme aussehen und was sie kosten“, erklärt er. „Dafür verwenden wir eine mathematische Optimierung.“ Das Ergebnis zeigt die Infografik für das Szenario mit dem Namen „Medium“ auf der nächsten Doppelseite.
Die Komplexität des Systems ist riesig. Das erklärt, warum sich heute so viele Interessengruppen über die Energiepolitik streiten. Hier etwas mehr Offshore-Wind, dort etwas weniger Photovoltaik. Oder dürfen es etwas mehr Leitungen sein, dafür weniger Speicher? Oder mehr Geld für die energetische Sanierung und weniger für die Stromerzeugung? Jedes Mal verdient jemand anderes mit.
Studie erlaubt Blick aufs Ganze
Die Studienergebnisse stellen den Streit jetzt auf eine wissenschaftliche Grundlage. Bei der mathematischen Optimierung, die Henning dazu benutzt, berechnet der Computer viele verschiedene Energiesystem-Varianten, bei denen er den Mix der erneuerbaren Energieträger, den Ausbau der verschiedenen Speichersysteme, verschiedene Heizungssysteme und den Fortschritt der energetischen Sanierung verändert. Jedes Mal berechnet er für jede Stunde eines Jahres, wie die Deutschen und ihre Wirtschaft mit Strom und Wärme versorgt werden können, und summiert die Kosten auf. So lässt sich die günstigste Variante für die Energieversorgung finden.
Dabei berücksichtigen die Forscher eine Entwicklung, die in der Haustechnik bereits Einzug hält. Sie betrachten in ihrem Modell außer der Stromversorgung nämlich auch die Wärmeversorgung und wie beide miteinander zusammenhängen.
Überschüssige elektrische Energie kann zwar mit elektrischen Batterien gespeichert und später mit elektrischen Verbrauchern genutzt werden. Doch teilweise ist es günstiger, sie als Wärme zu speichern und zu nutzen. Im dargestellten Energieszenario fließen pro Jahr etwa 53 Terawattstunden Strom direkt in die Wärmespeicher. Weitere 85 Terawattstunden Strom treiben Wärmepumpen an. Das ist trotzdem nicht das Ende der Solarthermie. Zusätzlich sind in Hennings Szenario rund 130 Gigawatt solarthermische Kollektoren installiert, die mit circa 90 Terawattstunden zur Heizung beitragen.
Da der Strombedarf im Modell vom Wärmebedarf der Gebäude abhängt, müssen Henning und seine Mitarbeiter die energetische Sanierung der Häuser mit in die Optimierung einbeziehen. Sie betrachten drei Szenarien, die alle zu ähnlichen jährlichen Gesamtkosten führen. In dem bezüglich der Sanierung sehr ambitionierten Szenario, dem sie den Namen „Sanierungsmax“ gegeben haben, benötigen die Gebäude im Jahr 2050 nur noch 40 Prozent der Heizenergie von 2010. Das ist, wenn man sich den derzeitigen, eher langsamen Fortschritt ansieht, eher unwahrscheinlich. Im bezüglich der Gebäudesanierung am wenigsten ambitionierten Szenario „Remax“ brauchen die Gebäude 65 Prozent der Heizenergie von heute. Auch das ist eher unwahrscheinlich, da der gesellschaftliche Wille zur Gebäudesanierung groß ist. Deshalb rechnen die ISE-Forscher das Szenario „Medium“, bei dem sich der Heizenergiebedarf im Vergleich zu 2010 halbiert.
Transparente Kosten
Für alle berechneten Szenarien ermitteln die Wissenschaftler die jährlichen Gesamtkosten zum Erhalt und Betrieb des jeweiligen Systems. Dort gehen Kosten aller Komponenten so ein, wie dieForscher sie in 40 Jahren erwarten, wenn Technologie und Märkte weiter entwickelt sind. Das sind bezüglich der Photovoltaik keine Kampfpreise, sondern sehr konservative Abschätzungen aus externen Quellen. „Wir wollen uns nicht dem Vorwurf aussetzen, die eine oder andere Technologie zu bevorzugen“, erklärt Henning. Für Photovoltaik nimmt er für 2050 deshalb einen Systempreis von 1.000 Euro pro Kilowattpeak an. So hat es die IEA publiziert, obwohl der Preis bei Freilandanlagen bereits bald erreicht ist.
Auch die Preise für die Netze sind Teil des Modells. Für Offshore-Wind sind beispielsweise Seekabel nötig. Wenn viel Photovoltaik ausgebaut wird, muss dagegen mehr Geld in Verteilnetze investiert werden. Zur Kostenabschätzung bekommt jede Komponente eine Lebensdauer, innerhalb derer sie abgeschrieben werden muss. Die Verzinsung des Kapitals wurde dabei mit vier Prozent angesetzt. Das erscheint wenig, doch ein Teil der Anlagen ist dezentral bei Verbrauchern installiert – und die erwarten weniger Gewinn als große Konzerne.
200 Gigawatt Photovoltaik
Die Berechnungen ergeben mehrere mögliche Szenarien für den Aufbau des Energiesystems, bei denen die Kosten um die 120 Milliarden Euro pro Jahr liegen. Kosten dieser Größenordnung sind für jeden Sanierungszustand im Wärmebereich denkbar. Es ist also eine mögliche Entscheidung, weniger in die Sanierung und mehr in die Energieversorgung zu investieren oder umgekehrt.
Was den Photovoltaikausbau betrifft, ergibt die Studie eine große Bandbreite. Im Szenario mit besonders gut wärmegedämmten Häusern liegt er bei 170 Gigawatt installierter Leistung. Im Remax-Szenario mit verhältnismäßig schlecht isolierten Gebäuden liegt der Photovoltaikanteil bei 252 Gigawatt. Im Medium-Szenario bei 206 Gigawatt.
Diese Zahlen sind deutlich höher als die zweier anderer, vergleichbarer Studien. Die des Sachverständigenrats für Umweltfragen (SRU) der Bundesregierung vom März 2011 sieht in mehreren Szenarien gar keine oder maximal 90 Gigawatt Photovoltaikleistung. Die Leitstudie des Bundesumweltministeriums, maßgeblich erarbeitet vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), kommt auf 67 bis 80 Gigawatt.
Henning sieht mehrere Gründe für die Diskrepanz zu seinen Ergebnissen. Zum einen habe keine dieser Studien den Wärmesektor so konsequent mitberechnet wie die Studie des Fraunhofer ISE. Zum anderen sei zum Beispiel bei der SRU-Studie für die Photovoltaik nur ein Potenzial von gut 100 Gigawatt angenommen worden. Aber auch in der Methode unterscheiden sich die Studien. Die ISE-Forscher lassen die Ausbauleistungen der einzelnen Energieträger vom Computer optimieren, während die Autoren der Leitstudie Szenarien analysieren, die die Autoren für plausibel halten.
2050 muss Strom nicht teuer sein
Die öffentliche Diskussion dreht sich momentan vor allem um die Kosten. Henning vergleicht deshalb die Jahreskosten seines Energiesystems mit denen der heutigen Energieversorgung. In einer groben Abschätzung sind beide ungefähr gleich teuer. Allerdings hat er keine indirekten Kosten der heutigen Strom- und Wärmeversorgung berücksichtigt, die beispielweise durch die CO2 -Emissionen entstehen, ebenso wenig, dass die Brennstoffkosten steigen. Daher sei es für die Zukunft – so die Aussage der Studie – sogar deutlich ökonomischer, auf erneuerbare Energien umzusteigen. Sprich: Der Strom muss dann nicht teurer sein als heute. Wenn der Strom 2050 noch fossil hergestellt werden sollte, würde der Preis dagegen deutlich steigen.
Für die kurzfristigen Kosten bedeutet das nur wenig. Denn die von Henning berechneten Kosten enthalten die Ersatzinvestitionen. Am Anfang der Energiewende müssen aber Investitionen getätigt werden. „Man muss den Wechsel bezahlen. Die Kosten für fossile Energieträger nehmen nicht entsprechend schnell ab, wie Investitionen in den Umbau nötig sind“, sagt Henning.
Dabei müssen alle erneuerbaren Technologien noch stark ausgebaut werden.
In dem in der Infografik dargestellten Szenario „Medium“ sind es nicht nur 206 Gigawatt Photovoltaik – sechs- bis siebenmal so viel wie heute instal- liert sind –, sondern auch 85 Gigawatt Offshore-Windkraftanlagen.
Die Studie zeigt auch, wie unsinnig es ist, den Ausbau der Photovoltaik zu blockieren. „Das Ergebnis, dass ein sinnvoller Photovoltaikausbau im Ziel zwischen 150 und 250 Gigawatt Photovoltaikleistung liegt, ist sehr belastbar“, sagt Henning. 75 Prozent der für Photovoltaik und Solarthermie benötigten Flächen stehen übrigens auf Hausdächern zur Verfügung. Für den Rest sind nur rund 400 Quadratkilometer Freiflächen nötig – ein Areal von 20 mal 20 Kilometern Seitenlänge.
Infografik: Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien
Die Grafik zeigt, wie Deutschland regenerativ mit Strom und Wärme versorgt werden kann. Schicken Sie die Grafik an Ihre Kollegen und Freunde und alle, die es wissen sollten. Sie können sie auch gerne anderen online zur Verfügung stellen.
Mehr Informationen:
Zur Studie "100 % Erneuerbare Energien für Strom und Wärme"
