Energiespeicherkonzepte und ihre Nutzungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung einer optimalen Sektorenkopplung

Gebauer, Matthias; Quicker, Peter; Britz, Peter

doi:HT030339433

Energiespeicherkonzepte und ihre Nutzungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung einer optimalen Sektorenkopplung

Gebauer, Matthias^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Gebauer, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Quicker, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Britz, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07983
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/963847/files/963847.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brennstoffzelle (frei) ; Energiespeichertechnologien (frei) ; Energiewende (frei) ; Power-to-Gas (frei) ; energy storage systems (frei) ; energy transition (frei) ; fuel cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der optimalen Umsetzung der Energiewende in Deutschland. Die Auswertung des festgelegten Ausbaupfades erneuerbarer Energien soll Aufschluss darüber geben, ob das Bestreben der Bundesregierung ausreichend ist, um die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen. Die für diese Arbeit entworfenen Auswertungstools sind in der Lage, die festgelegten Zubaumengen des EEG 2021 auszuwerten, Speicherkonzepte zu entwerfen, mit denen die produzierbaren Strommengen bestmöglich ausgenutzt werden und die zur Verfügung stehende Energie mit den notwendigen Maßnahmen zur Erreichung des Pariser Klimaabkommens zu vergleichen. Das Ergebnis dieser Auswertung hat ergeben, dass mit heutiger Ausbauverpflichtung der Bruttostromverbrauch bis 2050 vollständig mittels regenerativer Energien gedeckt werden kann. Die Überschussstrommengen, welche nicht im Stromsektor verbraucht werden, reichen aber nicht aus, um den gesamten Endenergiebedarf zu 60 Prozent aus erneuerbarem Strom zu decken. Eine Vorgabe der Regierung ist es, den Endenergieverbrauch bis 2050 um 50 Prozent gegenüber dem Ausgangsjahr 2008 zu senken. Unter der Bedingung, dass dieses Vorhaben umgesetzt werden kann, werden zirka 1270 Terawattstunden (TWh) Energie benötigt, um alle Sektoren Deutschlands versorgen zu können. Demgegenüber steht eine maximale Stromerzeugung von 620 TWh durch regenerative Erzeuger. Selbst wenn diese Energie ohne Verluste verbraucht werden könnte, würde der Endenergieverbrauch lediglich zu zirka 48 Prozent aus erneuerbaren Energien gedeckt werden können. Werden die zu erwartenden Wirkungsgradverluste mit einberechnet, werden zirka 950 TWh benötigt, um den Endenergieverbrauch wie geplant decken zu können. Damit diese Energien bis 2050 erzeugt werden können, ist ein verbesserter Ausbaupfad notwendig, der u.a. den Zubau von 125 Gigawatt (GW) Wind-Onshore-Leistung, 100 GW Wind-Offshore-Leistung sowie 255 GW PV-Anlagen-Leistung erfordert. Dies entspricht einer Steigerung von zirka 43 GW Onshore-, 47 GW Offshore- sowie 73 GW Photovoltaik-Leistung (PV-Leistung), es bedarf also einer deutlichen Anpassung des EEG 2021, die sofort umgesetzt werden sollte. Zum Zweck der bestmöglichen Ausnutzung der zu errichtenden Erzeugungsanlagen, ist ein zusätzlicher Zubau von Batteriespeicher- und Power-to-Gas-Technologien notwendig, um nicht direkt verbrauchte Energie zwischenzuspeichern und in andere Sektoren zu überführen. Ein Zubau von Power-to-Gas-Anlagen (PtG-Anlagen) mit einer Leistung von 150 GW wird benötigt, um damit die erzeugte Strommenge, welche mittels des aktuellen Ausbaupfades eingespeist wird, abnehmen zu können. Folglich bedarf es einer deutlichen Anpassung der momentanen Bestrebungen hinsichtlich der Umsetzung der Energiewende seitens der Wirtschaft und der Politik.

This dissertation deals with the optimal implementation of the energy transition in Germany. The evaluation of the specified expansion path for renewable energies is intended to provide information as to whether the efforts of the federal government are sufficient to achieve the goals of the Paris climate agreement. The evaluation tools designed for this dissertation are able to evaluate the specified additional amounts of the EEG 2021, to design storage concepts with which the producible amounts of electricity can be used in the best possible way and to compare the available energy with the necessary measures to achieve the Paris climate agreement. The result of this evaluation has shown that with the current expansion obligation, gross electricity consumption can be completely covered by renewable energies by 2050, but the excess electricity quantities that are not consumed in the electricity sector are not sufficient to cover 60 percent of the final energy requirement from renewable electricity. One of the government's targets is to reduce final energy consumption by 50 percent by 2050 compared to 2008 levels. Assuming that this project can be implemented, around 1270 terawatt hours (TWh) of energy will be required to supply all sectors of Germany. This contrasts with a maximum power generation of 620 TWh from regenerative generators. Even if this energy could be consumed without losses, only about 48 percent of the final energy consumption could be covered by renewable energies. If the expected efficiency losses are taken into account, around 950 TWh are required to be able to cover the final energy consumption as planned. In order for this energy to be generated by 2050, an improved expansion path is needed, which requires, among other things, the expansion of 125 gigawatts (GW) of onshore wind capacity, 100 GW of offshore wind capacity and 255 GW of PV system capacity. This corresponds to an increase of around 43 GW onshore, 47 GW offshore and 73 GW PV capacity, so a significant adjustment of the EEG 2021 is required that should be implemented immediately. In order for the generation plants to be set up to be used to the best possible extent, battery storage and power-to-gas technologies must also be installed in order to store energy that is not directly consumed and transfer it to other sectors. In order for the entire amount of electricity to be able to be purchased with the current expansion path, a total of around 150 GW of power-to-gas plants must be installed. A clear adjustment of the current efforts regarding the implementation of the energy transition on the part of business and politics is required.

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