Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 09/2019 - 12/2022 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK); Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 7.Energieforschungsprogramm der Bundesregierung |
| Kooperationspartner: | Volkswagen AG, DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH |
| Projektfokus: |       |
TransDE – Transformation der Infrastruktur Deutschlands bis zum Jahr 2050 im Einklang mit der Energiewende aller Verbrauchssektoren
Energiesystemmodell REMod: Schematische Abbildung.
Modellentwicklungen und Ergebnisse des Projektes TransDE: Das Modell REMod wurde regionalisiert und mit regionalen Daten auf Bundeslandebene berechnet. Die Ergebnisse der einzelnen Regionen fließen in die neu entwickelten Infrastruktur Modelle, bevor abschließend eine Lebenszyklusanalyse stattfindet.
Beispielergebnis Ertrag fluktuierender Erneuerbarer Energien: Im Jahr 2045 sind den nördlichen Bundesländern die größten Stromproduzenten aus Windenergie und Photovoltaik. Um die Klimaziele zu werden ebenfalls in südlichen Bundesländern großen Mengen Strom produziert.
Infrastrukturen und regionale Aspekte gewinnen im Rahmen der stark dezentral, fluktuierend und räumlich asymmetrisch geprägten Energiewende zunehmend an Bedeutung. Ein starker und schneller Ausbau der Stromnetze für den räumlichen Ausgleich zwischen den erneuerbaren Angebotspotenzialen und den Lastsenken stößt zum einen auf viele verschiedene Hemmnisse. Zum anderen wird er die systemischen Herausforderungen der Energiewende selbst bei Überwindung dieser Hemmnisse nicht alleine lösen können. Hierzu werden u.a. neue Speicherlösungen und Kopplungsformen der Sektoren inklusive der Infrastruktur für Gas, Wasserstoff und Wärme für den zeitlichen Ausgleich und die Dekarbonisierung von Industrie, Wärme und Verkehr benötigt.
Regionale Unterschiede in der Erzeugung und dem Verbrauch von Energie sind die Grundlage für die Analyse von Infrastrukturen. Um diese zeitlich hochaufgelöst in einem sektorgekoppelten Energiesystem berechnen zu können, wurde das Energiesystemmodell REMod im Rahmen des Forschungsprojektes um eine variable Anzahl Regionen erweitert. Zusätzlich wurde das Modell um eine Optimierung von Leitungskapazitäten für Strom und Wasserstoff ergänzt, um durch eine integrierte Betrachtung Wechselwirkungen im gesamten Energiesystem zu analysieren. Das Modell wurde für 10 Knoten auf Deutschland angewendet.
Neben der Weiterentwicklung von REMod wurde seitens des DBI ein Modell für die Abbildung von Gasnetzen sowie von Ladeinfrastrukturen entwickelt. Zusätzlich wurde eine Kopplung mit einer LCA-Datenbank entwickelt, wodurch Materialeinsätze oder Emissionen für den gesamten Lebenszyklus aller Technologien bewertet werden können. Für eine detailliertere Bewertung von Infrastrukturen wurde eine Kopplung des Modells REMod mit dem Gasnetzmodell des DBI sowie mit dem Stromnetzmodell PyPsa umgesetzt.
Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass eine regionale Aufteilung des deutschen Energiesystems notwendig ist, um Infrastrukturen zu bewerten. Zusätzlich konnten so erstmalig Transformationspfade aller Sektoren einzelner Bundesländer berechnet werden. Es zeigt sich beispielsweise, dass neben den großen Windenergiepotenzialen im Norden Deutschlands trotz der starken Nutzung von Photovoltaik im Süden Deutschlands ebenfalls Windpotenziale genutzt werden müssen um die Klimaziele zu erreichen. Ebenfalls wird deutlich, dass bei einer verstärkten Nutzung von synthetischen Energieträgern im Vergleich zu einer starken Elektrifizierung deutlich größere Mengen Wind und PV in Deutschland und zusätzlich mehr Importe notwendig sind.
Ein abgestimmter Ausbau der Strom- und Wasserstoffinfrastrukturen ist wichtig, um die ungleiche Verteilung von Bereitstellung und Nachfrage zu bewältigen. Dabei spielen Wasserstoffpipelines eine entscheidende Rolle, um das große Potenzial an erneuerbaren Energien im Norden effizient zu nutzen. Zudem ist eine Anpassung der Erdgasnetze notwendig, um den Transport von Wasserstoff zu ermöglichen. Für die Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen ist eine rechtliche und technische Standardisierung wichtig. Strategisch platzierte Schnelllade-Hubs und eine bedarfsgerechte Erweiterung der Stromverteilnetze sind notwendig, um den steigenden Energiebedarf zu decken.
Die Lebenszyklusanalyse zeigt, dass erneuerbare Technologien in der Herstellung mehr Energie und Material verbrauchen als fossil-basierte, aber während ihrer Nutzung keine CO2-Emissionen entstehen. Im Gesamtbild haben erneuerbare Technologien eine geringere CO2-Bilanz, was ihre Bedeutung für die CO2-Reduzierung unterstreicht. Eine ganzheitliche Bewertung der Nachhaltigkeit erneuerbarer Technologien ist daher entscheidend, um ihr Potenzial zur Emissionsreduzierung zu erkennen.
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