»Die Szenarien unterscheiden sich dabei hinsichtlich der in der Zukunft verwendeten Antriebskonzepte im Bereich der Mobilität, hinsichtlich des Umfangs der energetischen Sanierung von Gebäuden und hinsichtlich des Zeitpunkts, zu dem der Ausstieg aus der Nutzung von Kohle zur Stromerzeugung erfolgt«, so Autor Prof. Hans-Martin Henning, stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer ISE und Inhaber einer Professur für Technische Energiesysteme am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). »Außerdem betrachten wir unterschiedliche Zielwerte der Minderung energiebedingter CO₂-Emissionen – um 80 %, 85 % und 90 % bezogen auf den Referenzwert im Jahr 1990«, ergänzt Andreas Palzer, Mitautor der Studie.

Mix der Energieträger

Bei allen Szenarien spielen fluktuierende erneuerbare Energien zur Stromerzeugung – also Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen – eine Schlüsselrolle der zukünftigen Energieversorgung. Die notwendigen installierten Leistungen dieser erneuerbaren Energieträger schwanken je nach Szenario von in der Summe 290 GW (bei 80-prozentiger Reduktion der CO₂-Emissionen) bis knapp 540 GW (bei 90-prozentiger Reduktion). Sie werden ergänzt durch Kraftwerke unterschiedlichen Typs zur komplementären Stromerzeugung, Solarthermie-Anlagen für die direkte Wärmebereitstellung und die Infrastruktur für die Bereitstellung eines Mixes aus fossilen, biogenen und synthetisch hergestellten, flüssigen und gasförmigen Energieträgern. Zugleich ergeben sich insbesondere in der Wärmeversorgung massive Änderungen hinsichtlich der verwendeten Techniken auf der Nutzungsseite.

Diese neue Zusammensetzung der Energieerzeuger erfordert ein hohes Maß an Flexibilisierung in der Stromerzeugung ebenso wie in der Stromverwendung. Über die klassischen auf Strom basierenden Anwendungen hinaus müssen neue Stromanwendungen insbesondere im Bereich der Gebäude und des Verkehrs hinzukommen. Zugleich impli­ziert die Nutzung von Strom in diesen Bereichen, dass Verbrennungstechniken wie Heizkessel und Verbrennungsmotoren zunehmend durch elektrische Maschinen wie elektrische Wärmepumpen und Elektromotoren ersetzt werden. Diese wandeln die Endenergie Strom effizienter in Wärme oder Traktion als die heutigen auf Verbrennungsprozessen basierenden Techniken Brenn- bzw. Kraftstoffe.

Alle Szenarien zeigen eine Zunahme von Erzeugung und Verbrauch von Strom, ebenso die Notwendigkeit der zunehmenden Substi­tution fossiler Brennstoffe wie Gas oder Erdöl durch erneuerbar erzeugte Brennstoffe. Dies wiederum erfordert die großflächige Installation von Anlagen zur Herstellung synthetischer Energieträger aus erneuerbarem Strom, also Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff, Methan oder flüssigen Brenn-/Kraftstoffen aus Wind- und Sonnenstrom. Der notwendige Ausbaugrad steigt hier allerdings stark mit dem Zielwert der Reduktion energiebedingter CO₂-Emissionen.

Die Wärmeversorgung zeichnet sich durch eine starke Elektrifizierung aus. Elektrische Wärmepumpen werden in nahezu allen untersuchten Szenarien zur wichtigsten Technik für die Wärmebereitstellung in Einzelgebäuden. Solarthermie deckt in allen unter­suchten Szenarien anteilig den Bedarf an Niedertemperaturwärme in Gebäu­den und der Industrie. Signifikant positiv wirkt sich ein beschleunigter Ausstieg aus der Nutzung von Kohle zur Stromerzeugung bis zum Jahr 2040 auf das Erreichen der Klimaschutzziele im Bereich der Energieversorgung aus.

Kosten der Transformation

Die Kosten für die Transformation des Energiesystems werden für unterschiedliche Szenarien der Preisentwicklung für fossile Energieträger und der Kosten, die auf CO₂-Emissionen erhoben werden, untersucht. »Bleiben die Preise für fossile Energieträger bis 2050 gleich und die Kosten für CO₂-Emissionen langfristig niedrig«, so Hans-Martin Henning, »dann liegen die kumulativen Gesamtkosten für das kostengünstigste Szenario um rund 1100 Mrd. €, d. h. 25 %, höher als im Fall eines Weiterbetriebs des heutigen Energiesystems in unver­ändertem Zustand. Geht man allerdings von einer Erhöhung der Preise für fossile Energieträger um jährlich 3 % aus, dann bleiben die kumulativen Gesamtkosten für eine Transformation des Energiesystems praktisch gleich wie die Kosten für einen Weiterbetrieb des heutigen Systems, und das bei gleichzeitiger Reduktion energiebedingter CO₂-Emissionen um 85 %.«

Die neuen Berechnungen bestätigen die Ergebnisse des 2013 durch das Fraunhofer ISE veröffentlichte erste Energiemodell  Deutschland 2050: Nach erfolgter und abgeschlossener Transformation sind die jährlichen Gesamtkosten eines Energiesystems mit um 80 bis 85 % abgesenkten CO₂-Emissionen nicht höher als die vergleichbaren jährlichen Gesamtkosten unseres heutigen Energiesystems, die bei summarisch rund 250 Mrd. € für alle Endkunden liegen.

Zentrales Werkzeug für die Erstellung der Studien ist das Fraunhofer ISE Simulations- und Optimierungsmodell REMod‑D (Regenerative Energien Modell – Deutschland). Um neben der Umweltverträglichkeit und Wirtschaft­lichkeit auch die Versorgungssicherheit zu betrachten, wird in diesem Modell eine zeitlich aufgelöste Simulation verwendet, innerhalb der zu jeder Stunde des Jahres alle Energiebedarfe sicher befriedigt wurden.