Startseite » Studien und Fachartikel » Umgestaltung der globalen intelligenten Energiesysteme zur Erfüllung des Pariser Abkommens

Umgestaltung der globalen intelligenten Energiesysteme zur Erfüllung des Pariser Abkommens

Publiziert: 1. Februar, 2021
  • von

Mit großer Freude können wir diese erste Ausgabe von Smart Energy ankündigen. Ziel der Zeitschrift ist es, eine führende Plattform und eine maßgebliche Informationsquelle für die umweltfreundliche Umgestaltung von Energieversorgungs- und -nachfragesystemen zu künftigen intelligenten erneuerbaren Energien und nachhaltigen Lösungen zu sein. Mit dem Konzept der intelligenten Energiesysteme als Kernelement möchten wir einen ganzheitlichen, sektorintegrierten Ansatz für die Entwicklung zukünftiger Lösungen für den Klimawandel fördern. Das Ziel der Zeitschrift ist es, ein internationales wissenschaftliches Forum für die Gestaltung und Analyse sowie für Planungs-, Markt-, Regulierungs- und Modellierungsaspekte intelligenter Energiesysteme zu bieten.

Während der COVID-19-Pandemie wurden sowohl unser Leben als auch unsere Energiesysteme weltweit ernsthaft beeinträchtigt. Die Bandbreite der Auswirkungen von begrenzten Einschränkungen in den Gesellschaften bis hin zu vollständigen Einschränkungen kann zu einer Verringerung des Energiebedarfs um 9 bis 24% führen [1]. Hochrechnungen haben ergeben, dass die weltweiten fossilen CO2-Emissionen um 7% oder 2,6 GtCO2 zurückgegangen sind, wobei die Unsicherheit zwischen 3% und 12% liegt [2]. Nach den neuesten statistischen Daten sank der Primärenergiebedarf um fast 4% und die energiebedingten CO2-Emissionen gingen bis 2020 um 5,8% zurück. In Prozenten ausgedrückt ist dies der größte Rückgang seit dem Zweiten Weltkrieg und entspricht fast 2 GtCO2. In absoluten Zahlen ist dies ein Novum in der Geschichte der Menschheit und übertrifft die Rückgänge in vergleichbaren Notsituationen wie der Spanischen Grippe, der Großen Depression, den Weltkriegen, den Ölschocks und auch der jüngsten Finanzkrise 2008. Darüber hinaus entspricht der Rückgang dem Wegfall der gesamten Emissionen der Europäischen Union aus der globalen Gesamtmenge [3]. Im Vergleich zu den 32 GtCO2, die erforderlich sind, um das 1,5°C-Ziel des Pariser Abkommens bis 2030 zu erreichen, ist dies jedoch eine sehr geringe Reduzierung [4].

Beschleunigte Entwicklung der Technologien für erneuerbare Energien, Energiespeicherung und Energieeffizienz

Es gibt eine Vielzahl von Triebkräften, die in verschiedene Richtungen ziehen, was den Strom- und Wärmeverbrauch in den Haushalten, die Verkehrsgewohnheiten und die Nachfrage der Industrie betrifft, in Kombination mit vielen regionalen Unterschieden in der Struktur der Energienachfrage, dem Umfang der Abschottungsmaßnahmen und der Dauer [5].

Während die Pandemie die Welt in Aufruhr versetzte und scheinbar zum Stillstand brachte, gab es beim Einsatz von Technologien für erneuerbare Energien und Energieeffizienz nur geringe Rückschläge. Andererseits sind die energiebezogenen Emissionen nicht so stark zurückgegangen wie erwartet, wie ebenfalls oben erwähnt. Im Jahr 2020 ist die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen zurückgegangen. Öl verzeichnete den stärksten Rückgang aller Zeiten und ist um 8,6% gesunken. Die Hälfte des Rückgangs der globalen Treibhausgasemissionen entfällt auf Öl, was vor allem auf die Verringerung des Straßenverkehrs um 50% und des Luftverkehrs um etwa 35% zurückzuführen ist [3]. Die Nachfrage nach Kohle ging um 4% zurück, und Erdgas nahm nur geringfügig ab. Auf der anderen Seite haben Photovoltaik und Windkraft den höchsten Anteil am globalen Energiemix erreicht, der im Jahr 2020 bei etwa 20% liegen wird. Trotz der Pandemie beschleunigte sich der Ausbau der erneuerbaren Energien mit einem Anstieg ihres Beitrags zur Senkung der Emissionen des Stromsektors um 50% im Vergleich zu 2019 [3].

Es liegt auf der Hand, dass Integrationsmaßnahmen erforderlich sind, da die neu installierte Kapazität an erneuerbaren Energien um 45% auf etwa 280 GW im Jahr 2020 anstieg [6]. Diese rasche Entwicklung der fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen wird die Gestaltung der Energiesysteme weltweit zunehmend herausfordern. Die weitere Entwicklung günstiger Marktbedingungen und die fortgesetzte Senkung der Stromgestehungskosten (LCOE) werden die Wachstumsraten erhöhen, sowohl bei Wind- und Solarenergie als auch bei der Offshore-Windenergie. Mit dieser Entwicklung liegen diese Kosten unter dem Kostenniveau neuer fossiler Brennstoffkapazitäten und der Kernkraft.

Mehr Elektrifizierung, mehr Energieeffizienz, immer mehr mehr Digitalisierung und intelligente Zähler

In Verbindung mit der zunehmenden Entwicklung der erneuerbaren Energien sind weltweit viele weitere Entwicklungen im Energiesektor zu beobachten. Die Energieeffizienz war ein Schwerpunktbereich in vielen COVID-19-Konjunkturprogrammen, da sie zahlreiche Vorteile in Bezug auf Energiesicherheit, Klimaschutz und die Schaffung von Arbeitsplätzen vor Ort bietet.

Es gibt viele Vorteile von Gebäudesanierungen und Energieeinsparungen, die traditionell im Mittelpunkt von Energieeffizienzmaßnahmen standen. Mit der zunehmenden Konzentration auf die globale Verringerung der Treibhausgasemissionen ist zu erwarten, dass ein immer größerer Schwerpunkt auf allgemeinere nachfrageseitige Maßnahmen gelegt wird. Zu diesen Maßnahmen gehören die Energieeffizienz in Industrie und Gebäuden mit Hilfe intelligenter Zähler und der Digitalisierung, die Elektrifizierung des Verkehrs, der Industrie und bis zu einem gewissen Grad auch der Heizung, der zunehmende Anteil der Fernwärme in Kombination mit Geothermie und Solarthermie, Großwärmepumpen und Abwärme und nicht zuletzt Power-to-X-Elektrotreibstoffe in flüssiger und gasförmiger Form.

Das bedeutet, dass wir in einigen Bereichen eine geringere Nachfrage nach Strom und Wärme aufgrund von Energieeffizienz erleben werden, während die Spitzenproduktion aus erneuerbaren Energiequellen steigt. Gleichzeitig bieten die Elektrifizierung des Verkehrs, die Wärmepumpen und die Elektrokraftstoffe jedoch neue Möglichkeiten für die Gestaltung des Energiesystems, auch aufgrund des begrenzten Potenzials der Bioenergie, die ansonsten die offensichtliche Wahl für erneuerbare Energien gewesen wäre.

Intelligente Netze, Energieinfrastruktur und Energiespeicher

Eine Voraussetzung für all diese Entwicklungen auf der Angebots- und Nachfrageseite ist die Infrastruktur. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde der Schwerpunkt auf intelligente Stromnetze gelegt. Infrastrukturinvestitionen machen einen großen Teil der Gesamtkosten für Energie für Bürger und Unternehmen aus. Angesichts der veränderten Spitzen und Lasten in Strom-, Gas- und Fernwärmenetzen besteht ein Bedarf an weiteren Erkenntnissen darüber, wie die Nutzung der Energieinfrastruktur mit neuen flexiblen Anforderungen sowie intelligenten Stromnetzen, intelligenten Wärmenetzen und intelligenten Gasnetzen in Verbindung mit der Digitalisierung optimiert und verbessert werden kann [7].

Die Erweiterung der Perspektive von intelligenten (Strom-)Netzen auf intelligente Energiesysteme kann einige der Synergien zwischen den Energieträgern, Netzen und Infrastrukturen sowie bei der Nutzung von Energiespeichern aufzeigen [8]. Energieeffizienz schafft z. B. Synergien in der Versorgungskette in Bezug auf neue Niedertemperatur-Fernwärmesysteme [9] und reduziert die Spitzennachfrage, was wiederum den Bedarf an Spitzenlastkapazität in Zeiten geringer fluktuierender erneuerbarer Energieerzeugung senkt. Anstatt sich auf die Gebäudeebene zu konzentrieren, stützen sich immer mehr Erkenntnisse auf das Verständnis der Auswirkungen der Energieeffizienz auf die Versorgungskette, z. B. bei der Niedertemperatur-Fernwärme der vierten Generation [10] und bei der Ausweitung des Anwendungsbereichs vom einzelnen Gebäude oder der Branche auf ein Systemverständnis [11].

Strengere und schnellere nationale Ziele zur Erfüllung des Pariser Abkommen mit Netto-Null-Emissionen

Seit mehreren Jahren gibt es in Europa eine Debatte über 1) den Umfang der Verringerung der Treibhausgasemissionen, erneuerbare Energien und Energieeffizienz und 2) eine vollständige EU-weite Vereinbarung über Netto-Null-Emissionen im Jahr 2050. Die Europäische Kommission strebt nun eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 55 % bis 2030 und ein Netto-Null-Emissionsziel für 2050 an. Vor 2019 waren diese Ziele völlig unerreichbar. In den letzten Monaten haben wir gesehen, dass sich China dem Ziel von Netto-Null-Emissionen bis 2060 angenähert hat, und vor kurzem hat die neue Regierung Biden ein Ziel von Netto-Null-Emissionen für 2050 festgelegt. Mit anderen Worten: Die Entwicklung hin zur Einführung und Nutzung von erneuerbaren Energien und energieeffizienten Technologien hat gerade erst begonnen. Wir können jetzt einen stärkeren und schnelleren globalen Übergang in diese Richtung erwarten.

Um sicherzustellen, dass mehr fluktuierende erneuerbare Energien in Kombination mit einer effizienteren Umwandlung und Endnutzung nicht zu Stromausfällen, einer Einschränkung der erneuerbaren Energien oder einem starken Anstieg der Energiekosten für Bürger und Unternehmen führen, erfordert diese Entwicklung eine dringende und starke Konzentration auf die Umgestaltung des Energiesystems. Die Perspektiven für ein besseres Verständnis der Dynamik des Energiesystems und die Entwicklung der Forschung im Bereich der intelligenten Energie sind aufgrund der Notwendigkeit dieser Umgestaltung enorm. Intelligente Energie kann die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und Bioenergie weiter verringern, die Gesamtkosten senken und die Nutzung von Energieeffizienz, erneuerbaren Energien, Energieinfrastruktur und Energiespeichern steigern. Dieses Wissen kann zur Beseitigung von Treibhausgasemissionen im Energie-, Verkehrs- und Industriesektor, zur Schaffung neuer Arbeitsplätze und Unternehmen sowie zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und zur Gewährleistung eines nachhaltigen Niveaus der Bioenergienutzung führen. Mit Hilfe von Daten, KI und GIS können auch der Betrieb und die Gestaltung neuer Energiesysteme verbessert werden.

Die Notwendigkeit dieser Systemumgestaltung verdient eine Zeitschrift mit einem solchen Schwerpunkt. Zusätzlich zu den technischen Herausforderungen bei der Modellierung von Energiesystemen ist ein Verständnis der Politik, der Energiemärkte, der Energieplanung, des Managements, der Finanzierung, der Marktgestaltung, der staatlichen Regulierung und der Wirtschaft erforderlich, um den Übergang zu intelligenten Energiesystemen zu schaffen. Mit dieser Zeitschrift wollen wir das Wissen über die Systemauslegung erweitern, um bessere wissensbasierte Entscheidungen zu fördern und eine schnellere Einführung zu ermöglichen. Der Kerngedanke ist, dass wir uns weniger auf die einzelnen Teile des Energiesystems konzentrieren müssen, sondern mehr auf die Kombination von Energieträgern und Sektoren.

Der Ansatz der intelligenten Energiesysteme stellt einen bedeutenden Sprung zum Verständnis der sektorübergreifenden Vorteile dar, die den Einsatz von erschwinglicheren Energiespeichern und Synergien zwischen Infrastrukturen und Netzen ermöglichen. In dieser ersten Ausgabe haben wir Beiträge zu einer Vielzahl von Themen im Zusammenhang mit intelligenter Energie veröffentlicht; von der Modellierung von kombinierten Elektrofahrzeug-PV-Systemen [12] und Kurven für die Grenzkosten der CO2-Vermeidung [13] bis hin zur Entwicklung neuer fortschrittlicher Funktionen in Analysewerkzeugen für Energiesysteme [14], der Korrelation zwischen Wärmebedarf und Durchdringung mit erneuerbaren Energien [15] sowie der Rolle der Biomassevergasung in intelligenten Energiesystemen [16]. Andere Beiträge befassen sich mit der Optimierung der Nutzung thermischer Infrastrukturen als Teil intelligenter Energiesysteme durch den Einsatz von GIS-Tools zur Kartierung des Abwärmepotenzials [17], mit der Weiterentwicklung der Terminologie im Bereich Fernwärme [18] sowie mit der Weiterentwicklung der Marktkonzepte [19] und der Energieflüsse in Wärmenetzen [20]. Wir wünschen Ihnen viel Spaß mit den kommenden Ausgaben von Smart Energy.

Quellen/Original/Links:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666955221000241?via%3Dihub
https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2666955221000241?token=FA67715D59B35D0E00AB5AFF626B4556B51B36BFEC9EB3EC5C0F269AD5A0DE78A1102DAED04E8DE41F63F60A998A5C2B&originRegion=eu-west-1&originCreation=20211029074629

Übersetzung:
https://www.deepl.com/en/translator

STUDIE / FACHARTIKEL

Das reine PV-EV-Energiesystem – Eine Konzeptstudie für ein landesweites Energiesystems, das ausschließlich auf Photovoltaik und Elektrofahrzeugen basiert

Kurzfassung Ziel dieser Konzeptstudie ist es, das beträchtliche Potenzial und die Synergieeffekte der Zusammenarbeit von Solarenergie und Elektrofahrzeugen (EVs) aufzuzeigen. Dieses Potenzial wird durch die Untersuchung der Machbarkeit eines landesweiten Energiesystems aufgezeigt, das sich ausschließlich auf Solarenergie und Elektrofahrzeuge stützt. Die photovoltaische Solarenergie (PV) ist weltweit bereits eine wichtige Energiequelle, doch aufgrund ihrer Schwankungen ist… Weiterlesen »Das reine PV-EV-Energiesystem – Eine Konzeptstudie für ein landesweites Energiesystems, das ausschließlich auf Photovoltaik und Elektrofahrzeugen basiert

Phyiker - Brennstoffzellen - zukünftige Energiesysteme
Brian Vad Mathiesen

Brian Vad Mathiesen

Ich habe mich auf die Entwicklung von 100% erneuerbaren Energiesystemen und den Übergang von den derzeitigen Systemen zu solchen Systemen aus technischer und wirtschaftlicher Sicht spezialisiert. Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf intelligenten Energiesystemen und der groß angelegten Integration fluktuierender erneuerbarer Ressourcen (z. B. Windkraft). Die Integration von Sektoren und die Ermittlung von Synergien in allen Teilen… Weiterlesen »Brian Vad Mathiesen