Collage zu erneuerbaren Energien
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26.02.2019 Fachinformation 1429 0

Sektorenkopplung – Transformation der Energiewelt

Bereits bestehende Infrastrukturen ermöglichen es schon heute, große Energiemengen zu speichern und perspektivisch sowohl industrielle Prozesse als auch den Wärme- und Mobilitätssektor klimafreundlicher zu gestalten. Strom-, Wärme- und Gasnetze verstärkt intelligent miteinander zu kombinieren, wird von vielen Experten als Schlüssel für eine erfolgreiche Energiewende betrachtet.

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Dr. David Urmann
Sektorenkopplung und Energieverbrauch

Sektorenkopplung und Energieverbrauch

| BMWi

Der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland ist ein Erfolgsprojekt: Seit der Jahrtausendwende ist der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch von damals rund sechs Prozent auf heute über 38 Prozent gestiegen. Strom aus regenerativen Energiequellen, allen voran Sonne und Wind, verdrängt die konventionelle Stromerzeugung mehr und mehr aus dem Strommix. In anderen Bereichen sieht die Bilanz jedoch schlechter aus: Zur Wärmeerzeugung, sprich zum „Heizen“, werden in Deutschland nach wie vor jährlich große Mengen Kohle, Erdgas und Mineralöl verbrannt und die allermeisten Autos werden noch mit Benzin- oder Dieselmotoren betrieben. Insgesamt betrachtet werden immer noch zu viele Treibhausgase emittiert.

Klimaexperten sind der Ansicht, eine echte Energiewende nur gelingen kann, wenn die bislang eher separat betrachteten Sektoren der Energiewirtschaft, allen voran Elektrizität, Wärme- und Kälteversorgung, Mobilität und Industrie, intelligent miteinander verknüpft bzw. gekoppelt werden. Strom aus regenerativen Energien spielt dabei die entscheidende Rolle: Er ist leicht zu produzieren, kann über eine bereits gut ausgebaute Infrastruktur transportiert werden und basiert auf Energiequellen, die auch in vielen Jahrtausenden noch ausreichend verfügbar sind.

Technologietreiber Elektromobilität

Die bekannteste Form der Sektorenkopplung ist die Elektromobilität. Elektrische Schienenfahrzeuge sind bereits seit über einhundert Jahren im Einsatz. In den jüngeren Klima-Konzepten sieht die Bundesregierung vor, auch den Individualverkehr zunehmend zu elektrifizieren.

Diverse Forschungsprojekte arbeiten an Energiemanagementsystemen, die Stromerzeugung und -verbrauch sowie das Elektroauto intelligent miteinander vernetzen und optimal steuern können. Elektromobilität kann auf diese Weise aber nicht nur den Verkehrssektor defossil gestalten. Werden Elektroautos gerade nicht genutzt und sind an das Stromnetz angeschlossen, können ihre Batterien zukünftig als Puffer dienen und damit die Stabilität des Stromnetzes unterstützen. Die Normung ist intensiv damit beschäftigt, gewonnene Erkenntnisse in allgemeingültige Regeln einfließen zu lassen, die einen weiteren, systemübergreifenden Ausbau der Elektromobilität ermöglichen. So erarbeitet etwa das Komitee DKE/K 353 Normen für elektrische Systeme, die speziell für elektrische Straßenfahrzeuge gestaltet sind. Alle Fragen rund um „Bidirektionales Laden“ werden im ad-hoc Arbeitskreis DKE/AK 353.0.401 besprochen.

Wärmeversorgung mit riesigem Tauchsieder

Ein Aspekt der Sektorenkoppelung ist „Power to Heat“, also die Transformation von elektrischem Strom in Wärme. Einige Stadtwerke in Deutschland experimentieren zum Beispiel mit Elektrodenkesseln. Immer wenn ein Überangebot an Strom aus Erneuerbaren im Netz besteht, wird damit Wasser in einem Kessel elektrisch erhitzt. Das Wasser wird anschließend in ein Becken gepumpt, dort zwischengespeichert und nach Bedarf zur Fernwärme-Versorgung genutzt. Dies ist eine der Möglichkeiten, die vom Wetter abhängige Einspeisung erneuerbarer Energien intelligent in ein Fernwärmesystem zu integrieren und zeitversetzt nutzbar zu machen – ein gutes Beispiel dafür, wie Speicherung und Lastverschiebung, zwei wesentliche Herausforderungen der Energiewende, durch die Kombination der Sektoren Wärme und Strom bewältigt werden können.

Das gleiche Prinzip funktioniert natürlich auch im privaten Haushalt: Mit Solarstrom aus der Photovoltaik-Anlage auf dem hauseigenen Dach lässt sich Wasser direkt oder deutlich effizienter mittels einer Wärmepumpe erhitzen. Die Wärmeenergie kann dann in einem Pufferspeicher zwischengelagert werden, der die Energie bei Bedarf wieder an das Heizsystem abgibt oder das Trinkwasser erwärmt. Derartige Systeme können in Mehrfamilienhäusern, Gewerbebetrieben, Bürogebäuden, Schulen, Krankenhäusern und anderen Strom-Großverbrauchern installiert werden. Diese Form von „Power to Heat“ hat ein enormes Potenzial, auch im Wärmesektor signifikante CO2-Einsparungen zu erzielen.


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In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und –verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie auf unserer

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Brückentechnologie Brennstoffzelle

Ein anderer Ansatz ist „Power to Gas“. Ein Beispiel dafür sind verschiedene Windgas-Projekte im Norden Deutschlands. Mit Hilfe von überschüssigem Strom aus Windenergie wird hier Wasser per Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Wasserstoff gilt schon lange als Energieträger der Zukunft, da er bei seiner Verbrennung, im Gegensatz zu fossilen Energieträgern, keine schädlichen Emissionen verursacht und sich in das bereits vorhandene Gasnetz einspeisen lässt, wo er prinzipiell auch über lange Zeiträume gespeichert werden kann.

Der regenerativ erzeugte Wasserstoff aus der Elektrolyse kann unter dem Einsatz von CO2 in einem weiteren Schritt in Methan umgewandelt werden. Über diese Methanisierung wird ein synthetisches Erdgas erzeugt, dessen brenntechnische Eigenschaften nahezu identisch sind mit denen von fossilem Erdgas.

Wasserstoff-Brennstoffzelle - Labor
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Auch für Privathaushalte gewinnt die Brennstoffzellen-Technologie zunehmend an Bedeutung. Denn Brennstoffzellen können mit einer Vielzahl Energieträgern (z. B. Erdgas) betrieben werden und erzeugen neben Strom auch Wärme, die beispielsweise für die Warmwasserversorgung genutzt werden kann. Integriert in sogenannte „Mikro-Blockheizkraftwerke“ sind sie als eine Art der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung bereits verfügbar.

Welchen Anforderungen und Prüfungen entsprechende Anlagen genügen müssen, um als sicher zu gelten, wird in der auch in Deutschland umgesetzten europäischen Norm EN 50465 festgelegt.

Die Brennstoffzellen-Technologie ist noch aus einer weiteren Perspektive interessant: Befürwortern gilt sie als ideales Bindeglied zwischen den heute üblichen, konventionellen Energieträgern, wie Erdöl- und Gas, hin zu einer künftigen Wasserstoffwirtschaft. Diese hätte den Vorteil, dass sie bereits heute einsetzbar ist und jeden Schritt, den das Energiesystem in Deutschland in den nächsten Jahrzehnten durchläuft, mitgehen kann. Je mehr Wasserstoff genutzt wird, desto effizienter wird die Wasserstoffwirtschaft. Bei der DKE ist das Gremium K 384 als nationales Spiegelgremium zu IEC/TC 105 für die Ausarbeitung von Normen und Standards rund um die diversen Brennstoffzellentechnologien zuständig.

Schwerpunkte in der Normungsarbeit von Brennstoffzellentechnologien liegen in den Anwendungen von Brennstoffzellen-Energiesystemen als Mikrobrennstoffzellen (DIN EN 62282-6-100 (VDE 0130-6-100):2012-06) und stationäre oder portable Brennstoffzellen. Für diese Normen werden sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfanforderungen sowie Festlegungen zur Ermittlung von Leistungs- und Kenndaten erarbeitet. Es wurden zwei neue Arbeitsprojekte (NWIP) initiiert, die sich mit der Lebenszyklusanalyse von Brennstoffzellensystemen (IEC/TS 62282-9-101 (VDE V 0130-9-101)) und dem Umkehrbetrieb (Reverse Mode) von Brennstoffzellen befassen (E DIN EN 62282-8-201 (VDE 0130-8-201):2018-07).

Zellulare Versorgungsstrukturen ideal für Sektorenkopplung

Neue Versorgungsstrukturen können einen Beitrag liefern. So zeichnet sich z. B. das Konzept des zellularen Ansatzes (VDE|ETG-Studie „Der zellulare Ansatz“, Juni 2015) dadurch aus, dass es sowohl offen für alle Energieträger als auch für neue Technologien ist. Die technische Umsetzung ist unabhängig von genutzten Energieträgern, wie beispielsweise Gas oder Elektrizität, und den angewendeten Energiewandlungs- und -speichertechnologien. Der Zellulare Ansatz fördert auf diese Weise die Konvergenz zwischen den unterschiedlichen Energieträgern.

Fazit: Sektoren müssen gezielt integriert und weiterentwickelt werden

Die Sektorenkopplung wird in den kommenden Jahren die unterschiedlichsten Branchen miteinander ins Gespräch bringen, die gezielt integriert und weiterentwickelt werden müssen. Dabei sollten Entwicklungspläne für zukünftige Energienetze in allen Ebenen sämtliche Energiearten, wie Strom, Gas, Wärme etc., berücksichtigen.

Der VDE wird diesen Prozess aufmerksam begleiten und gemäß seinem Selbstverständnis auch zukünftig als politisch neutrale Plattform agieren, auf der Experten den jeweils aktuellen Stand der Technik diskutieren und in sicherheitsrelevante Normen überführen können. Die interdisziplinäre Besetzung der entsprechenden Expertengremien stellt eine umfassende Betrachtung über Systemgrenzen hinweg sicher und bildet die Grundlage für das integrierte, klimafreundliche Energiesystem von morgen.

Redaktioneller Hinweis:

Die im Text aufgeführten Normen können Sie im VDE VERLAG erwerben.

Zum VDE VERLAG

Übersicht der im Artikel aufgeführten Normen und Spezifikationen

Norm Titel
DIN EN 50465 (VDE 0130-310):2015-06 Gasgeräte - Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW
DIN EN 62282-6-100 (VDE 0130-6-100):2012-06 Brennstoffzellentechnologien - Teil 6-100: Mikro-Brennstoffzellen-Energiesysteme - Sicherheit (IEC 62282-6-100:2010 + Cor.:2011)
E DIN EN 62282-8-201 (VDE 0130-8-201):2018-07 Brennstoffzellentechnologien - Teil 8-201: Energiespeichersysteme mit Brennstoffzellenmodulen im Umkehrbetrieb - Power-to-Power-Systeme - Leistungsverhalten (IEC 105/679/CD:2018)
IEC/TS 62282-9-101 (VDE V 0130-9-101) Brennstoffzellentechnologien - Teil 9-101: Methodik zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von Brennstoffzellen-Energiesystemen auf der Grundlage eines Lebenszyklusdenkens - Vereinfachte Charakterisierung der Umweltverträglichkeit von stationären Brennstoffzellen-Energiesystemen im Haushaltsbereich anhand einer Lebenswegbetrachtung (IEC 105/706/CD:2018)

Auswahl beteiligter DKE-Gremien an der Sektorenkopplung

Gremium Bezeichnung
DKE/K 353 Elektrostraßenfahrzeuge
DKE/AK 353.0.401 ad-hoc AK "Bidirektionales Laden"
DKE/K 384
Brennstoffzelle
DKE/K 901 System Komitee Smart Energy
DKE/K 952 Netzleittechnik

Rund um den DKE Innovation Campus 2019