Dekarbonisierung Verkehr
Rückkopplung Energiesystem

Robuste Wege zur Erreichbarkeit der Klimaziele des Verkehrs in Rückkopplung mit dem Energiesystem

Die derzeitige Transformation des Energiesystems erfordert eine sektorenübergreifende Gesamtstrategie. Die Entwicklung dieser Strategie setzt ein Verständnis über das Zusammenspiel technologischer, ökonomischer und politischer Prozesse voraus.

Auf dieser Seite sind mit den klimapolitischen Zielen der Bundesregierung verträgliche Entwicklungspfade im Verkehrssektor in Rückkopplung mit dem Energiesystem dargestellt, die im Rahmen des Projektes DeV-KopSys untersucht wurden.

Im Fokus:

  • Modellendogene Berücksichtigung von potentiellen Unsicherheiten bei der Transformation des Verkehrssektors in Rückkopplung mit dem Energiesystem
  • Quantifizierung globaler Potenziale von strombasierten Kraftstoffen – Power-to-X,  kurz PtX – und Darstellung in einem globalen PtX-Atlas
  • Übertragungsnetzseitige Modellierung der räumlich ungleichmäßigen Verteilung des Stromverbrauchs mit sehr hohen Anteilen von Elektromobilität einerseits und der Potenziale für Wind- und Photovoltaikstrom anderseits, sowie der Einbindung dezentraler Flexibilität zur Verringerung des Netzausbaubedarfs.

In der Grafik finden Sie die wichtigsten Kernaussagen dieses Projektes.

H2PtX

Durch einen starken Ausbau der erneuerbaren Energien und einen vorgezogenen Kohleausstieg könnte Deutschland auch die verschärften EU-Klimaziele erreichen.

Als Teil des European Green Deal will die EU-Kommission ihr Klimaschutzziel auf mindestens 55 Prozent CO2-Reduktion bis 2030 anheben. In Deutschland können die strengeren europäischen Klimaziele durch einen starken Ausbau der erneuerbaren Energien und einen vorgezogenen Kohleausstieg erreicht werden. Der Einsatz von blauen Wasserstoff ist dazu nicht notwendig.

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Das Ziel die Emissionen im Verkehrssektor bis 2030 um 40 % zu reduzieren ist sehr ambitioniert. Die bisher vorgesehenen Maßnahmen und ein ambitionierter Markthochlauf der Elektromobilität reichen alleine nicht mehr aus.

Bei der ehrgeizigen Annahme, dass bis 2030 knapp 12 Mio. Elektroautos (inkl. Hybrid) auf Deutschlands Straßen fahren und für LKW eine Oberleitungsinfrastruktur bis auf 4000 km ausgebaut ist, wäre das Emissionsziel von 95 - 98 Mio.t CO2 bei Annahme eines gleichbleibenden Verkehrsverhalten dennoch nur mit einem Anteil von ca. 5 % strombasierten Kraftstoffen zur Nutzung in Verbrennungsmotoren erreichbar, welcher aber mit einer Nutzung im Flug- und Schiffsverkehr konkurriert. Deswegen erscheint ein signifikanter Anteil von Verkehrsvermeidung und –Verlagerung unvermeidbar zur Erreichung des Klimaziels für den Sektor Verkehr.

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Auch mit 100 Prozent erneuerbaren Energien ist die Versorgungssicherheit gewährleistet.

Deutschlands Stromversorgung wäre auch mit 100 Prozent erneuerbaren Energien gewährleistet. Sogar seltene Extremsituationen können durch das europäische Verbundnetz und ein intelligentes Lastmanagement weitestgehend bewältigt werden. Als Backup für eventuelle Engpässe wäre nur ein moderater Zubau von Gasturbinen notwendig.

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Die dezentrale Flexibilität wird wichtig. Die Nutzung von Flexibilitätspotenzial in der Industrie, das vorwiegend auf Lastabwurf basiert, kann dies nicht ersetzen und würde einen hohen Zubau an Batteriespeichern notwendig machen.

Unter der Annahme, dass im zukünftigen Energiesystem 60 % der Elektroautos durch Marktsignale gesteuert ihren Ladezeitraum verschieben können, werden im Energiesystem noch etwa 20 GW Stromspeicher benötigt. Erfolgen die Ladevorgänge losgelöst vom Strommarkt würde der Stromspeicherbedarf auf 43 GW steigen. Das kann durch die Annahme eines höheren Flexibilitätspotenzial in der Industrie nicht kompensiert werden. Wird neben der Möglichkeit dezentrale Lastflexibilität zu nutzen, auch bidirektionales Laden möglich, sind lediglich 4 GW an Stromspeichern notwendig. Um dezentrale Flexibilität zu nutzen, bleiben regulatorische Fragen offen. Das Risiko der Überlastung der Verteilnetze durch Gleichzeitigkeit bei marktgesteuertem Laden kann durch intelligente Steuerung mit geringen Einschränkungen vermieden werden.

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Der Umbau der Erdgas-Fernleitungsnetze in eine zentrale Wasserstoffinfrastruktur und die Fokussierung auf Wasserstoff anstelle von synthetischem Methan in verbleibenden Anwendungen der Industrie und Energiewirtschaft bringt Effizienz- und Kostenvorteile.

Durch die Transformation des bestehenden Erdgas-Fernleitungsnetzes in eine zentrale Wasserstoffinfrastruktur können Effizienzvorteile gegenüber einer Nutzung von Power-to-Gas in der Industrie und für Gaskraftwerke gehoben werden. Der Bedarf kann durch eine Priorisierung der europäischen Wasserstofferzeugung (insbesondere Offshore) und zusätzliche Importe gedeckt werden. PtL-Importe verbleiben dann nur noch für stoffliche Nutzung und im (internationalen) Verkehr.

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Die größten Flächenpotenziale zur Erzeugung nachhaltiger synthetischer PtX-Kraftstoffe ergeben sich in großen Flächenstaaten wie den Vereinigten Staaten, Australien, Argentinien oder Russland insbesondere an Binnengewässern.

Bei einer globalen Flächenanalyse ergeben sich enorme Potenzialflächen von über 32 Mio. km² zur Nutzung für Onshore Windenergieanlagen und/oder PV-Freiflächenanlagen. Nach Berücksichtigung technischer und ökologischer Restriktionen verbleibt für den Einsatz von PtX-Technologien eine Fläche von etwa 2,6 Mio. km². Davon lassen sich an Binnengewässern 71% der Flächen identifizieren, an Küstengewässern lediglich 29%. Die Verteilung der Flächen auf reine Wind-Standorte (38%) bzw. reine PV-Standorte (26%) oder auf Hybrid-Standorte als Kombination aus Wind und PV (36%) weist eine Tendenz hinsichtlich einer verstärkten Nutzung der Windenergie auf.

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Trotz hoher technischer und ökologischer Anforderungen an die Potenzialflächenermittlung für Power-to-X (PtX)-Technologien erscheinen daraus abgeleitete Erzeugungsmengen ausreichend hoch, um den weltweiten Bedarf an synthetischen Kraftstoffen zu decken, wenn Energieeffizienz und direkte Stromnutzung priorisiert werden.

Bei einem Vollausbau der identifizierten PtX-Flächenpotenziale ergibt sich in Abhängigkeit vom unterstellten Bereitstellungspfad eine globale PtX-Ausbauleistung von 12,3 bis 29,9 TW. Daraus lassen sich Erzeugungsmengen von 85.000 bis 120.000 TWh realisieren (zum Vergleich betrug die Summe der globalen Erdgas- und Erdölförderung im Jahre 2019 ca. 99.000 TWh). Kohlenstoff-basierte Energieträger weisen aufgrund höherer Umwandlungsverluste ein geringeres Erzeugungspotenzial gegenüber Wasserstoff auf. Durch den Einsatz einer Hochtemperatur SOEC Elektrolyse können etwas höhere Erzeugungsmenge realisiert werden.

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Länderspezifische Standortanalysen zeigen eine große Bandbreite an PtX-Gestehungskosten auf und Importkosten in die EU variieren stark über die Transportentfernung und den PtX-Kraftstoff.

Auf Basis von zeitlich-räumlich hochaufgelösten Simulationen an knapp 600 Standorten können große Bandbreiten globaler Erzeugungskosten für grünen Wasserstoff bzw. klimaneutrale synthetische Kraft- und Brennstoffe aufgezeigt werden. Die Untergrenze markiert hierbei gasförmiger Wasserstoff mit knapp 51 €/MWh bei optimalen Windbedingungen in Chile. Vereinzelt lassen sich sogar Kosten von knapp 42 €/MWh identifizieren. Die Erzeugungskosten von kohlenstoff-basierten Kraftstoffen bewegt sich hauptsächlich im Bereich von 120 bis 140 €/MWh. Die Untergrenze weist gasförmiges SNG bei 78 €/MWh auf. Bei den flüssigen Kohlenwasserstoffen definiert Methanol die Untergrenze bei 83 €/MWh.

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Kernaussagen

Mithilfe der am Fraunhofer IEE entwickelten Modelle wird dargestellt, wie der zusätzliche Strombedarf durch Elektromobilität durch den Ausbau von Wind und Photovoltaik gedeckt werden kann.

Auch bei Berücksichtigung von potentiellen Unsicherheiten zeigt sich, dass der Verkehrssektor auf Basis eines ambitionierten EE-Ausbaus transformiert und effizient versorgt werden kann.
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PtX-Atlas

Importe von strombasierten Kraftstoffen (Power-to-X) ermöglichen auch eine Dekarbonisierung von nicht oder nur schwer elektrifizierbaren Anwendungen im Verkehrssektor.

Außereuropäische Standorte bieten viel Potenzial für die Erzeugung von grünem Wasserstoff und klimaneutralen synthetischen Kraft- und Brennstoffen. Das zeigt der erste globale PtX-Atlas des Fraunhofer IEE. Im Detail unterscheiden sich die Bedingungen für PtX in den einzelnen Regionen allerdings erheblich.
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Übertragungs­netze

Angesichts der ungleichmäßigen räumlichen Verteilung der Potenziale für Wind- und Photovoltaikstrom und des Stromverbrauchs kommt einem Ausbau der Übertragungskapazitäten entscheidende Bedeutung zu.

In einer Modellierung der Übertragungsnetze, zeigt sich welcher Netzausbau für eine sehr hohe direkte Stromnutzung notwendig ist, und in welcher Weise dezentrale Verbraucher, wie die Elektromobilität auch netzentlastend sein können.
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