Zehn Fakten zu Sektorenkopplungs-Technologien
Was ist Sektorenkopplung und welche Bedeutung hat sie für die Energiewende?
Der Begriff Sektorenkopplung beschreibt Ansätze, die bisher getrennt betrachteten Energie- und Wirtschaftssektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie stärker miteinander zu verknüpfen. Durch die Sektorenkopplung soll das große Potenzial der Stromerzeugung aus Windenergie und Photovoltaik bestmöglich für die Wärmeversorgung, die Industrie und den Verkehr erschlossen werden. Ziel ist die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen in allen Bereichen des Energiebedarfs. Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen reichen die Potenziale anderer Erneuerbarer Energien wie Solarthermie, Biokraftstoffe, Holzenergie oder Geothermie nicht aus, um den Energiebedarf in allen Sektoren zu decken. Zum anderen ist die Sektorenkopplung ein wichtiger Baustein für mehr Flexibilität bei Stromnachfrage und -erzeugung [Publikation], um die wetter- und jahreszeitlichen Erzeugungsschwankungen der Solar- und Windenergie auszugleichen. Die Sektorenkopplung ist daher der Schlüssel für den Umbau des gesamten Energiesystems [Visual Story] auf 100 Prozent Erneuerbare Energien.
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Inhaltsverzeichnis - Technologien für die Sektorenkopplung:
1. Kraft-Wärme-Kopplung
2. Wärmepumpen
3. Elektromobilität
4. Power-to-Heat (Fernwärme, Industrie)
5. Elektrolyse / Power-to-Gas (Wasserstoff, Methan, Ammoniak)
6. Power-to-Liquids
7. Stromspeichertechnologien (z.B. Pumpspeicher, Batterien)
8. Wärmespeichertechnologien
9. Bioenergie
10. Intelligente Mess- und Steuerungstechnik / Digitalisierung
1. Kraft-Wärme-Kopplung
Wenn in einem Kraftwerk elektrischer Strom erzeugt und die dabei entstehende Wärme ausgekoppelt wird, um sie für Produktionsprozesse, zum Heizen oder die Warmwasserbereitung zu nutzen, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Die Wärme wird entweder direkt vor Ort genutzt oder als Fernwärme [Grafik] zu den Abnahmestellen transportiert.
Je nach Einsatzzweck kommen Anlagen von sehr unterschiedlicher Größe und Leistung zum Einsatz. Dazu gehören zum Beispiel große Heizkraftwerke, kleinere Blockheizkraftwerke (BHKW), aber auch Mikro-BHKW oder Brennstoffzellen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie mit Brennstoffen betrieben werden. Heute sind das in den meisten Fällen noch fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas, seitens der Erneuerbaren Energien spielen vor allem Biogas und feste Biomasse eine Rolle [Animation]. Künftig soll vermehrt regenerativ erzeugter Wasserstoff zum Einsatz kommen.
Soweit die Anlagen mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, beruht der Klimaschutzeffekt der Kraft-Wärme-Kopplung auf ihrer im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken hohen Energieeffizienz. Das heißt, die zugeführten Brennstoffe werden insgesamt viel besser ausgenutzt als bei separaten Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen.
Für eine erfolgreiche Sektorenkopplung bzw. die Umstellung des Energiesystems auf Erneuerbare Energien ist die Flexibilität von KWK-Anlagen entscheidend. Wenn KWK-Anlagen stromgeführt, also abhängig von der Situation im Strommarkt flexibel betrieben werden, leisten sie einen großen Beitrag zur Integration Erneuerbarer Energien und zur Versorgungssicherheit im Stromsystem. Die Anlagen werden nämlich dann gedrosselt oder abgeschaltet, wenn genug Strom aus Wind und Sonne zur Verfügung steht und sie füllen gezielt die Lücken, wenn Wind und Sonne nicht da sind.
Damit KWK-Anlagen flexibel betrieben werden können, braucht es vor allem große Wärmespeicher. Sie können die Wärmeversorgung auch dann sicherstellen, wenn gerade keine Stromerzeugung benötigt wird und die Anlagen abgeschaltet werden sollen. Zusätzliche Komponenten, die mit den KWK-Anlagen zum Beispiel in einem Wärmenetz integriert sein können, steigern die Flexibilität des Systems weiter. Zum Beispiel verwenden Power-to-Heat -Anlagen etwaige Stromüberschüsse zur Wärmeerzeugung. Das steigert die Stromnachfrage bei hoher Einspeisung von Wind- und Sonnenergie und reduziert den Wärmebedarf, wenn Strom gerade knapp ist.
Wärmepumpen sind die effizienteste Möglichkeit, um mithilfe von elektrischem Strom Wärme zu gewinnen und deshalb ein besonders wichtiger Bestandteil für die Verknüpfung von Strom- und Wärmesektor [Grafik]. Mittels Großwärmepumpen können sogar industrielle Abwärme und Solarwärme noch auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Das ist zum Beispiel gut für Fernwärme.
Zum Heizen nutzt eine Wärmepumpe [Grafik] die thermische Energie, die in der Außenluft, dem Grund- oder Abwasser, Oberflächengewässern oder dem Erdreich vorhandenen ist. Eine Wärmepumpe kann mit einer Kilowattstunde Strom etwa drei bis vier Kilowattstunden Wärme erzeugen. Die vorhandene Umweltwärme wird dabei mithilfe von Strom als Hilfsenergie auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Dabei wird die Umweltwärme durch einen Wärmetauscher auf ein Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft. Der Kältemitteldampf wird zu einem Verdichter bzw. Kompressor weitergeleitet, wodurch sich der Dampf weiter erhitzt. In einem weiteren Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger, wird das heiße Kältemittelgas nun kondensiert, wobei es seine Wärme an das Wärmeverteil- und Speichersystem im Gebäude abgibt. Das sind z.B. Flächenheizungen oder Heizkörper, Heizungspuffer- bzw. Warmwasserspeicher. Das abgekühlte und wieder flüssige Kältemittel wird anschließend entspannt, d.h. der Druck verringert sich und das Kältemittel fließt wieder zum Verdampfer zurück. Dort beginnt der Kreislauf von vorn. Wie eine Wärmepumpe Erd- und Umweltwärme nutzbar macht, erläutert diese Grafik.
Das umgekehrte Prinzip der Wärmepumpe zum Heizen ist uns gut bekannt durch Wärmepumpen im Kühlschrank. Beim Kühlschrank wird dem Innenraum die Wärme entzogen und nach außen abgegeben. Wärmepumpen können entsprechend auch zur Kühlung bzw. Klimatisierung eingesetzt werden.
Die Absatzzahlen für Wärmepumpen steigen stetig: So wurden in Deutschland im Jahr 2023 etwa 356.000 Heizungswärmepumpen verkauft, der Gesamtbestand stieg damit auf rund 1,7 Millionen.
Verglichen mit den Nachbarländern hinkt der Einbau von Wärmepumpen in privaten Haushalten in Deutschland jedoch noch weit hinterher [Grafik]. In absoluten Zahlen rangierte der Wärmepumpenabsatz in Deutschland nach Frankreich und Italien auf Platz drei, bezogen auf die Zahl der Haushalte liegen jedoch vor allem die skandinavischen Länder vorne.
Erneuerbare Energien haben im Verkehrssektor erst einen Anteil von knapp sieben Prozent am Energiebedarf [Grafik]. Die Elektromobilität ist eine wichtige Möglichkeit, um mehr Strom aus Erneuerbaren Energien in den Verkehrssektor zu bringen.
Batterieelektrische Fahrzeuge (Pkw, E-Bikes etc.) werden mit Strom aufgeladen, wobei die Batterie dann ein optimaler Stromspeicher [Grafik] ist, wenn der Ladevorgang so gesteuert wird, dass ein hohes Aufkommen an Strom aus Wind oder Sonne aufgenommen wird.
Dabei können nicht nur Pkw und Zweiräder elektrisch angetrieben werden, sondern auch Züge oder Schiffe [Grafik]. Die Entwicklung von Batterien und Antriebstechnologien ist hier in vollem Gange.
Bis zum 01. Januar 2023 waren eine Million Elektroautos in Deutschland zugelassen – mit steigender Tendenz. Logische Voraussetzung dafür ist die Entwicklung und Stärkung der Ladeinfrastruktur, auch um gezielt Strom aus Erneuerbaren Energien zu tanken.
Selbst dann, wenn die Antriebsbatterien im Elektroauto für ihren eigentlichen Einsatzzweck ausgedient haben und ausgetauscht werden müssen, können sie noch eine wichtige Aufgabe im Stromsystem erfüllen. Als stationäre Energiespeicher können sie nämlich noch wertvolle Dienste zum Ausgleich von Schwankungen von Stromerzeugung und -verbrauch leisten [Grafik].
Mehr zu den Themen Second-Life-Stromspeicher und Verkehrswende lesen Sie in unseren Publikationen.
4. Power-to-Heat (Wärmenetze, Industrie)
Der Begriff Power-to-Heat (PtH) beschreibt zunächst lediglich die direkte Nutzung von elektrischem Strom zur Erzeugung von Wärme. In kleinen und mittleren Anwendungen geschieht das meist, indem Wasser durch einfache Heizstäbe oder Elektrokessel erhitzt wird. Das allein ist noch nicht innovativ und förderlich für die Energiewende. Vielmehr ist diese Form der Wärmeerzeugung sehr ineffizient im Vergleich zu Wärmepumpen und birgt das Risiko, den Stromverbrauch auch zu Zeiten ohne viel Sonnen- und Windenergie in die Höhe zu treiben. Zu einem Schlüssel für die Energiewende wird PtH jedoch, wenn sich dadurch Flexibilität für das Stromsystem gewinnen lässt und große Mengen fossiler Energieträger in der Industrie durch Strom aus Erneuerbaren Energien ersetzt werden können.
PtH ist gut geeignet für eine flexible Stromnachfrage, weil Wärme viel besser als Strom gespeichert werden kann. PtH stellt deswegen eine gute Ergänzung zu anderen Wärmequellen für die Wärmeversorgung von Gebäuden oder Schwimmbädern dar. Dabei spielt die Integration in Wärmenetze [Grafik], die Haushalte und Gewerbe mit Heizenergie und Warmwasser versorgen, eine wichtige Rolle.
Mithilfe von Power-to-Heat lassen sich gezielt Stromerzeugungsspitzen aus Erneuerbaren Energien für die Wärmeversorgung nutzen. Hintergrund ist, dass die Stromnetzbetreiber heute bereits Stromerzeugungsanlagen zeitweilig drosseln oder ganz abschalten („Einspeisemanagement“). Betroffen sind in erster Linie Windenergieanlagen. Dadurch gehen relevante Mengen an Strom aus Erneuerbaren Energien verloren bzw. werden gar nicht erst erzeugt [Grafik].
Bisher geschieht das Einspeisemanagement im Wesentlichen aufgrund von Netzengpässen. Die Transportkapazitäten über das Stromnetz reichen also nicht aus, um die vor Ort mögliche Erzeugungsleistung zu den Schwerpunkten des Stromverbrauchs zu transportieren. Die Beseitigung von Netzengpässen ist daher das Gebot der Stunde. Beim weiteren Zubau von Wind- und Solaranlagen wird es künftig jedoch strukturell und häufiger zu Überschusssituationen kommen. Dann lautet das Gebot der Stunde: Nutzen statt Abregeln! Dafür ist Power-to-Heat eine wichtige Option.
Ein anderes Thema ist die Industrie. Insbesondere die industrielle Prozesswärme beruht bisher stark auf fossilen Energieträgern [Grafikdossier]. Die zunehmende Nutzung von Strom aus Erneuerbaren Energien bietet daher eine wichtige Perspektive für den Klimaschutz im Industriesektor. Für solch große Anwendungen gibt es Elektrodenkessel, die sehr hohe Wärmeleistungen von vielen Megawatt bereitstellen und damit sogar Dampf von mehreren hundert Grad Celsius für industrielle Prozesse liefern können.
Damit Power-to-Heat im Sinne der Energiewende flexibel für Heizwärme und Industrie eingesetzt wird, bedarf es einer klaren politischen Regulierung. Dazu gehören zum Beispiel flexible Strompreise und das Ende von Subventionen für fossile Energieträger.
5. Elektrolyse / Power-to-Gas (Wasserstoff, Methan, Ammoniak)
Elektrischen Strom in Elektrofahrzeugen, Wärmepumpen oder Power-to-Heat-Anlagen direkt zu nutzen, ist die effizienteste Möglichkeit, Strom in andere Sektoren zu bringen. Ist das aber nicht möglich, weil bestimmte Anwendungen wegen technischer oder zeitlicher Restriktionen nicht direkt elektrifiziert werden können, ist der Weg über synthetische Gase eine Option zur Sektorenkopplung. Dazu zählen Wasserstoff (H2), Methan (CH4), das chemisch dem fossilen Erdgas entspricht, oder auch Ammoniak (NH3).
Die Wasserstofferzeugung erfolgt durch Elektrolyseure. Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Ein Teil der elektrischen Energie wird chemisch im Wasserstoff gespeichert, man bezeichnet den Prozess daher auch als Power-to-Gas (PtG). Wasserstoff kann beispielsweise in der chemischen Industrie oder in Brennstoffzellen direkt verwendet werden oder bis zu einem Anteil von etwa fünf Prozent in das bestehende Erdgasnetz eingespeist und in herkömmlichen BHKW genutzt werden. Für höhere Anteile an Wasserstoff braucht es jedoch technische Anpassungen an verschiedenen Komponenten der Infrastruktur. Im Zusammenhang mit Kraftwerken oder Gasheizungen wird dann von „H2-ready“ gesprochen, bei entsprechend zertifizierten Gasheizungen bedeutet das zum Beispiel, dass eine Beimischung von bis zu 20 Prozent Wasserstoff möglich ist.
Wenn gezielt Strom aus Erneuerbaren Energien zur Wasserstoffproduktion genutzt wird, spricht man auch von „grünem Wasserstoff“ bzw. „grünem Gas“. Durch weitere Umwandlungsschritte [Grafik] lässt sich daraus Methan erzeugen. Dieses hat den Vorteil, in der vorhandenen Erdgasinfrastruktur unbegrenzt gespeichert und transportiert werden zu können. Auch die Nutzungsmöglichkeiten sind die gleichen wie bei Erdgas. Synthetisches Methan ist damit einfacher zu handhaben als Wasserstoff, für den weitere Anpassungen an den Transportnetzen und Anlagen erforderlich sind. Wenn der Herstellungsprozess an die Verfügbarkeit von Sonne und Wind angepasst wird, gelangt so indirekt Strom aus Erneuerbaren Energien in andere Sektoren wie Wärme, Industrie und Verkehr. Das synthetische Gas kann jedoch auch zur Versorgungssicherheit innerhalb des Stromsektors beitragen und bei Bedarf in herkömmlichen Gaskraftwerken und Gasturbinen rückverstromt werden.
Ein weiterer Hoffnungsträger für die Energiewende ist Ammoniak (NH3). Die Industrie produziert Ammoniak schon seit über einhundert Jahren, hauptsächlich als Düngemittel. Die Perspektive für die Energiewende liegt nun darin, Ammoniak künftig mithilfe von Strom aus Erneuerbaren Energien herzustellen und als grünen Kraftstoff für die Schifffahrt [Visual Story] und den Schwerlastverkehr zu nutzen. Die Vorteile gegenüber Wasserstoff sind die größere Energiedichte bei geringerem Volumen und dass es zu Lager- und Transportzwecken weniger stark heruntergekühlt werden muss.
Die Produktion erneuerbarer Gase ist immer mit Umwandlungsverlusten im Prozess verbunden, die anschließende Nutzung des Gases in einem Verbrennungsmotor oder einer herkömmlichen Gasheizung bedeutet weitere Energieverluste. Es muss also wesentlich mehr Strom eingesetzt werden, als wenn der Strom direkt zur Wärmeerzeugung oder als Antriebsenergie genutzt werden würde. Die direkte Stromnutzung ist hier deutlich effizienter und kostengünstiger. Deshalb wird Wasserstoff in privaten Heizkesseln und im motorisierten Individualverkehr nur in Ausnahmefällen zum Einsatz kommen. Für die Nutzung von Wasserstoff ergibt sich eine sinnvolle Einsatzreihenfolge bzw. Priorisierung bestimmter Anwendungen [Grafik].
Erneuerbare Gase werden auf absehbare Zeit knappe und wertvolle Energieträger bleiben. Laut dem Monitoringbericht Energie von Bundesnetzagentur und Bundeskartellamt speisten Ende 2021 sieben Anlagen Wasserstoff und eine Anlage synthetisch erzeugtes Methan in das deutsche Erdgasnetz ein. Das Gas wird dabei statistisch unter der Rubrik „Biogas“ miterfasst, wobei die Menge noch sehr gering ist: 3,5 Millionen Kilowattstunden Wasserstoff und 0,1 Millionen Kilowattstunden synthetisches Methan im Jahr 2021 machten 0,035 Prozent der insgesamt eingespeisten Biogasmenge aus. Darüber hinaus gibt es Anlagen, die nicht in das Erdgasnetz einspeisen, sondern meist Demonstrations- und Forschungsanlagen sind.
Für die Zukunft gehen die Bundesnetzagentur und die Stromnetzbetreiber von stark wachsenden Elektrolyseleistungen aus, je nach Szenario von 26 bis 40 Gigawatt im Jahr 2037 und 50 bis 80 Gigawatt bis 2045. Wasserstoff wird somit zu einem zentralen Element der Sektorenkopplung.
Der Begriff Power-to-Liquid (PtL) beschreibt die Herstellung von synthetischem Flüssigkraftstoff mithilfe von elektrischem Strom. Der Vorteil flüssiger Kraftstoffe liegt in ihrer hohen Energiedichte. Sie ist für Flugzeuge, Schiffsantriebe und industrielle Anwendungen mit hohem Energiebedarf erforderlich. Die direkte Stromnutzung stößt hier an ihre Grenzen, zum Beispiel wegen großer Entfernungen. Ziel der Produktion synthetischer Flüssigkraftstoffe oder E-Fuels ist es, Strom aus Erneuerbaren Energien für solche Anwendungen indirekt verfügbar zu machen.
Eine Voraussetzung für PtL-Verfahren ist die Verfügbarkeit von Wasserstoff bzw. erneuerbarem Gas, das dann weiterverarbeitet wird. Für die Produktion von Flüssigkraftstoffen kommen verschiedene chemische Syntheseverfahren in Frage. Damit gilt für PtL erst recht, dass die Produktion mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden ist und E-Fuels somit auf absehbare Zeit sehr knappe und teure Energieträger bleiben.
7. Stromspeichertechnologien (z.B. Pumpspeicher, Batterien)
Energiespeicher sind ein wichtiger Bestandteil der Versorgungssicherheit, denn sie gleichen Schwankungen von Energieangebot und -nachfrage aus. Sie sorgen dafür, dass Energie genau dann zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird. Dazu gibt es verschiedene Optionen. Je nach Art des Energiespeichers stehen am Ende Strom, Wärme oder Kraftstoffe bzw. Gase zur Verfügung [Grafik].
Wenn vom zunehmenden Bedarf an Speichern im Zuge der Energiewende die Rede ist, dann geschieht das in der Regel im Kontext der schwankenden Verfügbarkeit von Strom aus Wind- und Sonnenenergie. Wenn die wetterabhängigen Quellen Sonne und Wind einen Großteil der Versorgung übernehmen, übersteigt das Stromangebot häufiger die momentane Nachfrage und umgekehrt. Speicher sollen nun dafür sorgen, dass die Strommengen, die zum Zeitpunkt der Erzeugung nicht anderweitig benötigt werden, zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung stehen. Dabei geht es nicht nur um Anwendungen innerhalb des Stromsektors, sondern auch um die Verknüpfung mit dem Verkehrs-, Industrie- oder Wärmesektor.
Stromspeicher nehmen beim Beladen elektrischen Strom auf und stellen zeitversetzt beim Entladen wieder elektrischen Strom zur Verfügung. Teilweise handelt es sich um sehr alte und etablierte Technologien. So sind die ältesten, heute noch in Betrieb befindlichen Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland und Europa rund 100 Jahre alt. Insgesamt unterscheidet man im Wesentlichen drei Stromspeichersysteme:
1. Die direkte elektrische Energiespeicherung erfolgt mittels Kondensatoren, Super Caps oder supraleitenden magnetischen Energiespeichern (SMES bzw. Spulen). Sie zeichnen sich durch eine sehr kurze Reaktionszeit aus und werden eingesetzt, um kleine Schwankungen im Stromnetz abzufedern und Spannung und Frequenz stabil zu halten. Der Wirkungsgrad ist mit 90 bis 95 Prozent sehr hoch, die Speicherkapazität hingegen klein (im Kilowattstundenbereich).
2. Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher sowie Schwungmassespeicher wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um und speichern sie somit in indirekter Form. Schwungmassespeicher gehören zu den reaktionsschnellen Kurzzeitspeichern, die zur Frequenz- und Spannungsstabilität im Stromsystem beitragen. Pump- und Druckluftspeicher gehören zu den Langzeitspeichern mit einem Speichervolumen im Bereich von Megawattstunden (tausend Kilowattstunden) bis Gigawattstunden (Millionen Kilowattstunden) und einer Entladungszeit von mehreren Stunden. Der Wirkungsgrad von Druckluftspeichern liegt bei 45 bis 55 Prozent, bei Pumpspeichern sind es 65 bis 85 Prozent.
3. Akkumulatoren (Batterien) sind elektrochemische Speicher. Je nach Technologie unterscheidet man zum Beispiel Lithium-Ionen-, Natrium-Schwefel-, Blei-Säure- oder Redox-Flow-Batterien. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 65 und 95 Prozent, die Speicherkapazitäten im Bereich von Kilowattstunden bis Megawattstunden. Die Einsatzgebiete von Akkus im Rahmen der Energiewende liegen zum Beispiel in Elektrofahrzeugen, Photovoltaik-Heimspeichersystemen oder in der Netzstabilisierung.
Eine neue Option sind elektrothermische Speicher. Hier wird mittels Strom Hochtemperaturwärme erzeugt, diese gespeichert und anschließend wieder zur Stromerzeugung genutzt. Die Unterscheidung zwischen Strom- und Wärmespeichern ist also teilweise fließend.
Mehr Informationen zu Energiespeichern finden Sie hier.
Bei den Wärmespeichern werden im Allgemeinen drei Technologien unterschieden: sensible, latente und thermochemische Speicher [Grafik]. Die Technologien unterscheiden sich in der Energiedichte und der maximal speicherbaren Temperatur.
In der Praxis am häufigsten sind sensible Speicher. Hier verändert das Speichermedium seine Temperatur, wenn der Speicher be- oder entladen wird. Während des Ladevorgangs wird dem Speichermedium direkt oder indirekt über einen Wärmetauscher Wärme zugeführt. Beim Entladen wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben und der Speicher kühlt ab. Am bekanntesten sind Heißwasserspeicher [Grafik], wie sie im Zusammenhang mit Gebäudeheizungen vorkommen.
Als Speichermedium kommen neben Wasser auch andere flüssige sowie feste Stoffe zum Einsatz, z.B. Gestein, Beton, Keramik und Salz. Von der Wärmekapazität und Masse des Speichermediums sowie der nutzbaren Temperaturdifferenz hängt ab, wie viel thermische Energie der Speicher aufnehmen kann. Zum Beispiel hat ein Kilogramm Wasser zwischen Gefrier- und Siedepunkt eine Wärmespeicherkapazität von 116 Wattstunden (Wh).
In Fern- und Nahwärmenetzen wird Wärme in größerem Maßstab gespeichert. Großspeicher mit mehreren tausend bis zu mehreren Millionen Litern Fassungsvermögen können in Wärmenetze eingebunden werden und die Versorgung mehrere Tage, Wochen und Monate überbrücken.
Latentwärmespeicher, auch als Phasen-Wechsel-Materialien (PCM) bezeichnet, arbeiten mit verschiedenen Aggregatzuständen von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig). Die Wärmezufuhr lässt das Speichermedium schmelzen oder verdampfen, ohne dass sich dabei die Temperatur des Speichermediums erhöht. Deshalb wird von latenter, also verborgener, Wärme gesprochen. Beim Entladen, d.h. der Wärmeabgabe, erstarrt es oder verflüssigt sich wieder. Beispiele aus dem Alltag sind Handwärmer oder Kühlakkus. In Verbindung mit Solarthermieanlagen wird oft Paraffin als Speichermedium eingesetzt. Dessen Vorteile gegenüber einem Wasserspeicher liegen im deutlich geringeren Platzbedarf und einer höheren Speicherkapazität. Nachteil sind die höheren Kosten.
Thermochemische Speicher (TCS) arbeiten mit einer umkehrbaren, also reversiblen, chemischen Reaktion. Bei den Speichermitteln Silikagel oder Zeolith wird beim Laden zum Beispiel Wärme von der Solaranlage zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen („Desorption“). Wenn in umgekehrter Richtung Wasserdampf zugeführt wird, lagert sich dieser an das Speichermedium an („Adsorbtion“), wobei Wärme frei wird.
Für die Sektorenkopplung spielen Wärmespeicher eine große Rolle, da thermische Speicher Strom aufnehmen und in Form von Wärmeenergie halten. Die Wärmeerzeugung erfolgt dabei mithilfe von elektrischen Wärmepumpen, Heizstäben oder Elektrokesseln. Wegen des in der Regel geringen Temperaturniveaus kann aus der eingespeicherten Wärme nicht wieder Strom erzeugt werden. Eine Ausnahme sind Hochtemperatur-Wärmespeicher.
Hochtemperatur-Wärmespeicher decken einen Temperaturbereich von 400 bis 1.300 Grad Celsius ab. Sie werden zum Beispiel bei solarthermischen Kraftwerken oder im Bereich der industriellen Prozesswärme eingesetzt, dienen der Speicherung von Strom im größeren Maßstab und der Flexibilisierung konventioneller Kraftwerke. Hochtemperatur-Betonspeicher sind von Stahlrohrleitungen durchzogen, durch die ein spezielles Öl zirkuliert. Dieses überträgt die zuvor aufgenommene Wärme an den Beton, welcher sich auf bis zu 400 Grad Celsius erhitzt und diese Wärme mehrere Stunden speichern kann. Soll der Speicher wieder entladen werden, wird erwärmtes Öl abgeleitet und kaltes Öl erneut in den Betonblock geleitet, welches sich dann wieder erwärmt.
Mehr Informationen zu Wärmespeichern finden Sie in diesem Grafikdossier und unseren Publikationen zu den Themen Energiespeicher und Großwärmespeicher.
Die Bioenergie ist unter den Erneuerbaren Energien der „Alleskönner“: Aus fester, flüssiger und gasförmiger Biomasse lassen sich Strom, Wärme und Kraftstoffe gewinnen. Neben der energetischen Nutzung findet die stoffliche Nutzung von Biomasse zunehmend Anwendung. Da Biomasse rund um die Uhr verfügbar und flexibel einsetzbar ist, kommt ihr eine bedeutende Rolle bei der Energieversorgung auf Basis Erneuerbarer Energien [Grafik] zu.
Für die Stromerzeugung ist Biogas eine zentrale Option. Das Gas wird meist in BHKW eingesetzt und erzeugt dort neben Strom auch nutzbare Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Wärme kann entweder vor Ort genutzt oder über Wärmenetze dahin transportiert werden, wo sie benötigt wird. 
Abhängig von den eingesetzten Rohstoffen ist die Größe der Anlagen recht unterschiedlich, sie reicht von wenigen 100 Kilowatt bei einer typischen landwirtschaftlichen Biogasanlage bis zu Großanlagen mit von fünf Megawatt Leistung. Daneben kann Biogas auch zu Biomethan aufbereitet und in das herkömmliche Erdgasnetz eingespeist werden. Es kann dann genauso wie fossiles Erdgas zur Energieversorgung eingesetzt werden. Wie Biogas produziert und zu Strom, Wärme oder Methan umgewandelt wird, zeigt diese Grafik.
Energieholz als feste Biomasse hat eine lange Tradition. Inwieweit sich die Holzenergie vor Ort wirtschaftlich nutzen lässt, hängt vor allem davon ab, ob die Rohstoffe in ausreichender Menge nachhaltig und kostengünstig zu beschaffen sind. Typische Lieferanten sind Forstbetriebe, Sägewerke oder die Möbelindustrie. Grundsätzlich ist es umso vorteilhafter, je kürzer die Transportwege sind. Während Privathaushalte hauptsächlich mit Scheitholz oder Holzpellets heizen [Grafik], werden in der Industrie vor allem Holzhackschnitzel aus verschiedenen Resthölzern und Altholz genutzt. In Holzheizkraftwerken wird aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt. Diese Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung sind ein wichtiges Element der Sektorenkopplung [Grafik].
Biokraftstoffe können die Motoren in Pkw, Lkw, Schiffen oder auch Flugzeugen antreiben. Sie kommen teilweise aber auch in Pflanzenöl-BHKW zum Einsatz. Biokraftstoffe verknüpfen somit die Sektoren Landwirtschaft, Industrie, Verkehr und teilweise auch Wärme. Dafür stehen unterschiedliche Biokraftstoffe wie Biodiesel, Pflanzenöl, Bioethanol, Biogas und in Zukunft auch synthetische Biokraftstoffe zur Verfügung.
10. Intelligente Mess- und Steuerungstechnik / Digitalisierung
Für die Energiewende brauchen wir zwar den Bau neuer Stromleitungen, aber auch die Modernisierung der Netzinfrastruktur mithilfe digitaler Informations- und Kommunikationstechnik. Dadurch können Stromerzeugung und -verbrauch besser miteinander verknüpft und aufeinander abgestimmt werden, eine wichtige Voraussetzung für die Sektorenkopplung. So kann das Potenzial der bestehenden Netzinfrastruktur besser ausgenutzt werden, ohne die Netze zu überlasten und unnötig viele Leitungen hinzubauen zu müssen.
Für ein optimales Zusammenspiel der vielen dezentralen Anlagen ist die Bereitstellung von Echtzeit-Daten zum aktuellen Netzzustand künftig essenziell. Sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Verbrauchsseite sind Signale wichtig, ob gerade viel oder wenig Strom verfügbar ist. Dadurch lassen sich regionale Flexibilitätsoptionen erschließen und die Versorgungssicherheit erhöhen. Digitale Kommunikationstechnik kann dazu beitragen, dass beispielsweise bei höherem Strombedarf auf Stromspeicher zurückgegriffen werden kann oder aktuell nicht benötigte Windstrommengen dazu genutzt werden, um Speicher zu befüllen. Durch eine moderne, mit Informations- und Kommunikationstechnik ausgestattete Netzinfrastruktur („Smart Grid“) wird das Energiesystem „intelligent“ und flexibel. Ein Teil dieser modernen Netzbetriebsführung sind neue digitale, intelligente Stromzähler (Smart Meter). Digitalisierung ist nötig, um alle Komponenten des Energiesystems gut miteinander zu vernetzen und aufeinander abzustimmen.
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