Projekt „eXtremOS“: Modellierung einer annähernden Treibhausgasneutralität 16.07.2021, 08:00 Uhr

So könnte das europäische Energiesystem im Jahr 2050 aussehen

Im Verlauf des Projekts eXtremOS wurden von Januar 2018 bis April 2021 Szenarien des zukünftigen europäischen Energiesystems entwickelt. Durch ein ganzheitliches europäisches Energiesystemmodell bildet eXtremOS die Kopplung der europäischen Strommärkte und Szenarien bis 2050 in EU27+NO, CH, UK ab. Ein wichtiges Ergebnis: Im Energiesektor ist dazu im Jahr 2050 im Vergleich zu 2020 eine neunfach höhere installierte Kapazität volatiler erneuerbarer Energiequellen erforderlich.

Grafik: PantherMedia/maxxyustas

Grafik: PantherMedia/maxxyustas

In eXtremOS [1] wurden gesellschaftliche und technologische Transformationspfade bis 2050 betrachtet, die durch extreme regulatorische und technologische Entwicklungen gekennzeichnet sind. Dazu gehören der stärkere Preisverfall von zukunftsrelevanten Technologien oder die ausschließliche Herstellung von Wasserstoff in Europa. Die Einzigartigkeit des dreijährigen Forschungsprojekts ergibt sich aus dem Extremszenario-Prozess, der die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen in Modellparameter übersetzt, und der ganzheitlichen europäischen Energiesystem-Modelllandschaft. Letztere besteht aus neun miteinander verbundenen Modellen, mit denen ein hoher Detaillierungsgrad bei der Modellierung von Energiebedarf und -erzeugung erreicht wird. Die Modelltiefe reicht europaweit bis zu einer räumlichen Auflösung von Landkreisen („Nuts-3“) und einer zeitlichen Auflösung von 1 h.

Um zukünftige Entwicklungen im vernetzten europäischen Energiesystem zielgerichtet modellieren zu können, ist ein tiefes Verständnis der einzelnen nationalen Energiesysteme in Europa erforderlich. Um dieses Verständnis zu schaffen, wurden in eXtremOS, als Ausgangsbasis für die Modellierung, Ländersteckbriefe erstellt, in denen Kernaspekte der verschiedenen nationalen Energiesysteme zusammengefasst sind. Diese Steckbriefe enthalten quantitative Daten (wie installierte Kapazität thermischer Kraftwerke oder erneuerbare Energiequellen) und qualitative Informationen (zum Beispiel Fakten zum aktuellen Zustand der Energiemärkte).

Fokus auf die Analyse von Extremszenarien

Der EXtremOS-Szenario-Prozess umfasst mehrere Schritte. Eine der ersten Fragen, die beantwortet werden musste, war die Definition des Begriffs „Extremszenario“. Dieser Fokus auf die Analyse von Extremszenarien erlaubt es, die Auswirkungen von potenziell disruptiven technischen und gesellschaftspolitischen Entwicklungen zu erfassen. Auf die Definition folgte die Herausforderung, die qualitativen Storylines und den quantitativen Energiesystem-Modellierungsrahmen zusammenzubringen. Dazu wurde der Prozess „von Wort zu Wert“ entwickelt. Dieser unterstützt die systematische Übersetzung von qualitativen Storylines in quantitative Szenarien. Die Umsetzung dieses Prozesses führte zu zwei extremen Basisszenarien mit sehr unterschiedlichen Annahmen: Ein Szenario, in dem die Klimaschutzziele nicht erreicht werden (quEU) und ein europäisches Klimaschutzszenario (solidEU).

Um die Auswirkungen bestimmter zusätzlicher Entwicklungen auf das Energiesystem zu ermitteln, wurden eine Vielzahl von sogenannten Extremszenario-Keimen in das solidEU Framework implementiert. Diese waren unter anderem: die Begrenzung der Nettoübertragungskapazitäten zwischen den Ländern auf historische Werte (NTC2020), ein starker Preisverfall bei Batterien und Photovoltaik-(PV)-Modulen (PVBat) sowie Elektrolyseuren (Lyze) und die Analyse der Auswirkung eines Nordsee-Offshore-Netzes auf die Energieflüsse zwischen den angeschlossenen Nordsee-Nationen (RiNo) (Bild 1).

Bild 1 Aufbau der Szenarien in eXtremOS inklusive der Szenarien-Keime. Grafik: FfE

SolidEU – das Klimaschutzszenario in eXtremOS

SolidEU basiert auf einem Kontextszenario, das vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (Itas) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Rahmen von eXtremOS entwickelt wurde. Der Titel der Storyline lautet „Gemeinsam für eine bessere Welt“.

Das Szenario beschreibt ein gesellschaftspolitisches Umfeld, das durch Kooperation und eine stärkere Integration der Europäischen Union (EU) mit einer gestärkten partizipativen Demokratie gekennzeichnet ist. Die Solidarität und die daraus resultierende partizipative Regierungsführung werden von der gemeinsamen Einsicht getragen, dass der Klimawandel anthropogen bedingt ist und eine ernsthafte Bedrohung für den persönlichen Wohlstand darstellt.

Dies ist der Wegbereiter für eine ehrgeizige Klimapolitik, die von dem kollektiven Ziel einer tiefgreifenden Treibhausgas (THG)-Reduzierung sowohl auf staatlicher als auch auf gesellschaftlicher Ebene getragen wird. Folglich wird die EU einen nationalen Politikrahmen schaffen, um die Klimaziele zu erreichen. Die Intensivierung der erneuerbaren Energien wird durch die Finanzierung von Forschung und Entwicklung sowie der technologischen Infrastruktur gefördert. Darüber hinaus wird die Integration variabler erneuerbarer Energiequellen zwischen den EU-Mitgliedsstaaten durch Demand Side Management unterstützt.

Energieverbrauchsszenarien in jährlichen Schritten

Ausgehend vom aktuellen Energieverbrauch und szenariospezifischen Annahmen wurden für jedes betrachtete Land Energieverbrauchsszenarien in jährlichen Schritten von 2020 bis 2050 berechnet. Energie wird in verschiedenen Sektoren verbraucht: in den privaten Haushalten, dem tertiären Sektor, der Industrie, dem Verkehr sowie dem Umwandlungssektor. In den EXtremOS-Sektorenmodellen wurden der Endenergieverbrauch und die Nachfrage nach Rohstoffen in diesen Sektoren in hoher zeitlicher (stündlich) und räumlicher (Nuts-3) Auflösung modelliert. In jedem Modell wird der jährliche Endenergieverbrauch pro Land in einem Regionalisierungsmodul auf Nuts-3-Ebene regionalisiert. Anschließend wird die zeitliche Auflösung durch Skalierung der regionalisierten Last mit normalisierten Lastprofilen erhöht.

Europaweite Potenziale für erneuerbare Energien

Um den in den Sektorenmodellen ermittelten Energieverbrauch zu decken, werden ausreichend Energieerzeugungsanlagen benötigt. Der Ausbau von erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie spielt bei der Dekarbonisierung des Energiesystems eine große Rolle. Unter Berücksichtigung bestehender Anlagen und meteorologischer Bedingungen wurden mit den Modellen für erneuerbare Energien die Potenziale europaweit und räumlich aufgelöst ermittelt. Bei der Photovoltaik wird zwischen Freiflächen- und Aufdach-Solaranlagen und bei Wind zwischen Onshore- und Offshore-Anlagen einerseits und zwischen verschiedenen Anlagentypen (Starkwind/Schwachwind) andererseits unterschieden.

Die zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Verbrauchsdaten aus den Sektorenmodellen und die durch die Modelle für erneuerbare Energien gegebenen Potenziale stellen Eingangsdaten für das Energiesystemmodell „ISAaR“ dar. Darüber hinaus bildet der aktuelle Kraftwerkspark aus erneuerbaren und thermischen Erzeugungsanlagen die Grundlage für die Deckung des Bedarfs in den oben genannten Fünfjahresschritten.

Bei Bedarf können thermische Gaskraftwerke, erneuerbare Energieanlagen sowie Technologien zur Bereitstellung weiterer Energieträger (etwa Elektrolyseure zur Bereitstellung von Wasserstoff) ausgebaut werden.

Entscheidung über kostenoptimalen Einsatz

Die szenariospezifischen Annahmen geben den Rahmen, etwa in Form von THG-Reduktionszielen, Netzkapazitäten oder CO2-Zertifikatskosten für die modellierten Transformationspfade des Energiesystems vor. Das Modell trifft dann eine Entscheidung über den kostenoptimalen Einsatz und Ausbau der verfügbaren Technologien. Randbedingungen wie die Einhaltung der THG-Emissionsobergrenze werden in die Optimierung einbezogen. Auf diese Weise können Fragen zur Entwicklung des Strompreises, zum länderübergreifenden Stromhandel, zur Reduktion der THG-Emissionen und zum Einsatz von Speichertechnologien oder Elektrolyseuren beantwortet werden. Weitere Modelle bewerten die Auswirkungen der in ISAaR berechneten Entwicklungen des europäischen Energiesystems auf den Gasmarkt (MinGa) und das Verteilnetz (GridSim).

Europäischer Endenergieverbrauch sinkt um rund 40 Prozent

Im SolidEU-Szenario sinkt der Endenergieverbrauch in Europa um rund 40 % von etwa 13 200 TWh im Jahr 2020 auf rund 7 800 TWh im Jahr 2050. Haupttreiber sind Effizienz sowie direkte und indirekte Elektrifizierungsmaßnahmen, die in allen vier Endenergie-Sektoren umgesetzt werden.

Basierend auf dem gesellschaftspolitischen Kontext im SolidEU-Szenario wird angenommen, dass die finanziellen Anreize für Forschung und Entwicklung sowie die Umsetzung von Fuel-Switch-Maßnahmen deutlich ausgebaut werden und ein Niveau erreicht wird, das für einen hohen Grad an Sektorenkopplung in Europa ausreicht. Dies kann beispielhaft durch die schnelle und flächendeckende Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen für den Personen- und Güterverkehr, die Integration von Wärmepumpen im Tertiär- und Wohnsektor sowie die Umsetzung innovativer Prozessrouten wie der Stahlerzeugung mit direkt reduziertem Eisen oder elektrischen Steamcrackern erfolgen.

Strom, Biomasse und Wasserstoff dominieren

Als Ergebnis der Maßnahmenumsetzung werden Strom, Biomasse und Wasserstoff zu den dominierenden Energieträgern im Jahr 2050 mit einem Gesamtanteil von rund 90 % am gesamten Endenergieverbrauch. Dabei steigt der Stromverbrauch von rund 3 100 TWh im Jahr 2020 auf etwa 5 000 TWh im Jahr 2050 am deutlichsten.

Durch die geänderte Energieträgernachfrage aus den Endenergiesektoren erfährt der Bereitstellungssektor im SolidEU-Szenario eine deutliche Wandlung. Um den starken Anstieg der Stromnachfrage aus den Endenergieverbrauchssektoren zu decken, reagiert der Energiesektor mit der neunfachen installierten Kapazität volatiler erneuerbarer Energiequellen im Jahr 2050 im Vergleich zu 2020. Dies entspricht einer jährlichen Nettozunahme der installierten Leistung von 13 GW für Offshore-Windkraftanlagen, 23 GW für Onshore-Windkraftanlagen und 53 GW für Freiflächen-PV-Anlagen.

Große Anstrengungen für Ausbau der Erneuerbaren

Im Vergleich zu den historisch maximalen Installationsraten in der EU (Offshore: 3,6 GW im Jahr 2019, Onshore: 13,9 GW im Jahr 2017, PV: 21,4 GW im Jahr 2011) zeigen diese Zahlen, dass große Anstrengungen erforderlich sind, um mit den Installationsraten der Erneuerbaren in solidEU Schritt zu halten. Insgesamt erzeugen die erneuerbaren Energien – einschließlich Wasserkraft, Biomasse und saisonaler Pumpspeicher mit natürlichem Zufluss – im Jahr 2050 fast 7 000 TWh Strom und decken damit 94 % des Bruttostromverbrauchs (Bild 2). Die restliche Elektrizität wird durch Gaskraftwerke gedeckt, die mit synthetischen Brennstoffen betrieben werden.

Bild 2 Entwicklung des Ausbaus erneuerbarer Energien bis 2050 im Szenario solidEU. Grafik: FfE

Maßnahmen für 1,5-Grad-Ziel nicht ausreichend

Die europäischen Länder müssen ihre Emissionen drastisch reduzieren, um die selbst gesteckten Reduktionsziele von – 55 % (2030) und – 95 % (2050) der THG-Emissionen gegenüber 1990 zu erreichen. Für die Jahre zwischen 2030 und 2050 interpoliert solidEU die Emissionsziele linear auf die dazwischenliegenden Jahre. Insgesamt werden in solidEU so 63 Gt CO2-Äquivalente (CO2e) bis zum Jahr 2050 emittiert. Werden die verbleibenden 5 % der Emissionen (288 Mt CO2e) bis zum Jahr 2100 fortgeschrieben und aufsummiert, belaufen sich die THG-Emissionen auf etwa 80 Gt CO2e.

Diese Emissionsmenge liegt knapp unter dem – nach „geringsten-Kosten-Annahmen“ – verbleibenden Budget von 90 Gt CO2e für die EU, um das Pariser 2-Grad-Klimaziel zu erreichen [2]. Die Anstrengungen reichen jedoch nicht aus, um das 1,5-Grad-Klimaziel zu erreichen, das im Rahmen des Pariser Abkommens angestrebt werden sollte. Das erst im April 2021 vom Bundesverfassungsgericht in Teilen als verfassungswidrig eingestufte Klimaschutzgesetz der Bundesregierung hat diese zu noch ambitionierteren Zielen veranlasst – so soll die Klimaneutralität bereits bis 2045 erreicht werden. Um dieses nationale Ziel zu erreichen, müssen die bisherigen Maßnahmen jedoch deutlich verschärft werden.

Literatur

  1. Guminski, A. et al.: (Preliminary) eXtremOS Summary Report – Modeling Kit and Scenarios for Pathways Towards a Climate Neutral Europe. München: FfE, 2021.
  2. Meyer-Ohlendorf, N. et al.: EU Greenhouse Gas Emission Budget: Implications for EU Climate Policies. Berlin: Ecologic Institut, 2018.

Michael Ebner, Stephan Kigle und Andrej Guminski, alle wissenschaftliche Mitarbeiter der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE)

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