Wege zur Treibhausgasneutralität des europäischen Energiesystems

Mit der sektorübergreifenden Orientierungsstudie ›Treibhausgasneutrales europäisches Energiesystem‹ erweitert die FVV ihren rein verkehrsbezogenen Betrachtungshorizont auf die angestrebte Defossilisierung in der EU. Der neue Fokus liegt auf dem Gesamtenergiesystem mit den jeweiligen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Sektoren wie Verkehr, Industrie und Wärmeerzeugung. Dr. David Bothe von Frontier Economics, der Koordinator des Forschungsvorhabens, erläutert die Eckpunkte der Studie.

Text: Richard Backhaus | Foto: Adobe Stock, Santri

Welche Intention wird mit der Studie verfolgt?

Die Studie baut auf einer Reihe vorangegangener Studien der FVV auf, bei denen es insbesondere um die ideale Technologiekombination für einen CO2-neutralen europäischen Verkehrssektor ging. Dabei hatte sich gezeigt, dass ein Großteil der Engpässe für die Einführung neuer Antriebstechnologien im Bereich der Energieinfrastruktur auftritt, beispielsweise im Hinblick auf die Geschwindigkeit des Ausbaus von Ladeinfrastruktur und Stromnetz. Diese Systeme werden aber nicht exklusiv für den Verkehrssektor aufgebaut, sondern stehen auch allen anderen Sektoren zur Verfügung, etwa für Wärmeanwendungen oder die Industrie. Daraus resultiert die Frage, wie sich die Nutzung durch andere Sektoren auf den Verkehrssektor auswirkt: Ergeben sich Synergien, weil die Infrastruktur für andere Sektoren ohnehin ausgebaut werden muss, oder verschärfen sich Engpässe noch, weil auch andere Sektoren auf die knappen Ressourcen zugreifen? Daher berücksichtigen wir in der neuen Studie die Defossilisierungsoptionen für die gesamte europäische Wirtschaft, also einschließlich Gebäudewärme, die wichtigsten Industrien, den generellen Stromverbrauch und natürlich auch den Verkehrssektor. Dazu haben wir 17 neue Arbeitsgruppen mit jeweiligen Experten aus den Unternehmen und Forschungsinstituten eingebunden. Aus den Fachgesprächen haben wir dann jeweils eine Prognose entwickelt, mit welchen Parametern die zukünftige Entwicklung im jeweiligen Bereich aus heutiger Sicht am besten beschrieben werden kann, und in die Studie integriert.

Auf welche Bereiche beziehen sich die neuen 17 Arbeitsgruppen?

Für den Verkehrssektor liegen aus den vorherigen Studien schon sehr gute und detaillierte Daten vor. Daher konnten wir uns in diesem Sektor auf eine Aktualisierung beschränken. Durch die neuen Arbeitsgruppen haben wir Technologien integriert, die bislang noch nicht abgedeckt waren, etwa aus den Bereichen Heizungssysteme, Industrieprozesse, Syntheseverfahren, Bioenergie oder Kernenergie. Dafür haben wir das Netzwerk der FVV genutzt, das ja wiederum auch in andere Strukturen eingebunden ist. Aus diesem umfangreichen Netzwerk wurden Gruppen zusammengestellt, die alle relevanten Themen mit hoher fachlicher Tiefe abdecken. Aus Kapazitätsgründen haben wir uns dabei vor allem auf die zentralen Mainstream-Technologien beschränkt: In Bereichen wie zum Beispiel dem Biokraftstoffbereich gibt es unzählige Prozesse und Faktoren, deren vollständige Berücksichtigung den Rahmen der Studie sprengen würden. In diesen Fällen haben wir uns dann jeweils auf Schlüsseltechnologien konzentriert.

Wie haben Sie die zusätzlichen Sektoren und Industriebereiche technisch eingebunden?

Wir bauen auf einem vorhandenen europäischen Energiemarktmodell auf, das verschiedene Energieträger parallel berücksichtigt, also sowohl Strom als auch Wasserstoff und dessen Derivate, Methan und flüssige Kohlenwasserstoffe. Dieses Modell erweitern wir so, dass es auch Endtechnologieentscheidungen treffen kann. Dazu geben wir dem Modell beispielsweise die zu beheizenden Flächen und die Gebäudestruktur in einer Region vor. Das Modell entscheidet dann, welche Technologie bei einer Neuinvestition in ein Heizungssystem zielführend ist, wenn die gesamte Energielieferkette mitberücksichtigt wird. Wenn das zum Beispiel eine Wärmepumpe ist, wird gleichzeitig auch die notwendige Strominfrastruktur und die Kraftwerkskapazität mitberücksichtigt. Diesen Schritt macht das Modell parallel für Industrie, Wärmeversorgung und Verkehr. Für den Energieträger Wasserstoff entscheidet es dabei beispielsweise, wo ein zusätzliches Molekül am meisten zur CO2- Reduzierung beitragen kann – in einem Heizungssystem, im Fahrzeug oder in der Stahlindustrie. Auf diese Weise optimiert das Simulationsmodell die Technologiekombinationen unter der Maxime, die CO2-Emissionen in Summe zu minimieren.

Wie funktioniert das Simulationsmodell der Studie?

Rein technisch ist die Simulation ein lineares Optimierungsmodell, das heißt sie umfasst eine Zielfunktion. Das ist in diesem Fall die Aufgabe, die CO2-Emissionen zu minimieren, und unzählige Nebenbedingungen. Das Modell sucht dann die bestmögliche Technologie unter Berücksichtigung der notwendigen Infrastruktur und des resultierenden Gesamt-CO2- Fußabdrucks. Das Ergebnis ist eine mathematisch eindeutige Lösung, die den Idealfall abbildet. Auf dieser Basis kann man dann verschiedene Szenarien ableiten, beispielsweise eine neue Technologie hinzufügen oder eine andere Technologie ausblenden, sodass sich Vergleiche ziehen lassen. Das ist einer der größten Werte des Modells, es gibt nicht nur einen Lauf mit einem Ergebnis, sondern man erhält ein Arbeitswerkzeug, mit dem man »Wenn-Dann«-Analysen durchführen kann.

Wie unterscheidet sich diese Studie von anderen Arbeiten zum Thema?

Ein Großteil der existierenden Treibhausgasstudien geht von den politischen Maßnahmen zum Erreichen der Klimaziele aus und berechnet dann rückwärts, was dafür beispielsweise an Investitionen und Entwicklungsleistungen notwendig ist. Oftmals wird dabei jedoch der Zeit- und Ressourcenaufwand übersehen, um den geplanten Umbau in der Praxis umzusetzen. Unsere Studie verfolgt einen anderen Ansatz: Wir analysieren, welcher Weg zu den insgesamt geringsten CO2-Emissionen führt. Dabei berücksichtigen wir, dass es beim technischen Umbau der Infrastruktur Obergrenzen des Leistbaren gibt. Dazu geben die Expertengruppen vor, welche Umsetzungsraten für neue Technologien realistisch sind. Wie schnell könnten Heizungssysteme ausgetauscht oder Energienetze ausgebaut werden? Mit diesen Nebenbedingungen suchen wir dann in einem großen Optimierungsmodell die Technologiekombinationen, die den maximal erreichbaren Klimaschutz sicherstellen.

Können wir in der EU überhaupt bis 2050 klimaneutral werden?

Mit unseren Studienergebnissen werden wir auf jeden Fall die Ziele einem Realitäts-Check unterziehen. Derzeit erleben wir ja, dass wir bei der CO2-Reduzierung den ambitionierten politischen Zielen in vielen Bereichen bereits hinterherhinken. Insofern hilft die Studie, Szenarien und Planungen zu entwickeln, die auch in der Praxis technisch umsetzbar sind. Wir nehmen die ingenieurswissenschaftliche Sicht ein und analysieren, wie schnell die Transformation selbst unter idealen Voraussetzungen überhaupt möglich wäre.

Reicht die europäische Sichtweise oder müsste man nicht eigentlich eine weltweite Betrachtung anstreben?

Die europäische Sichtweise ist ein guter Startpunkt, da viele der für uns kritischen Infrastrukturen, die auch schon in anderen Studien als Engpass identifiziert worden sind, in Europa liegen. So haben wir ein europäisches Strom- und Gasnetz und bauen eine europäische Wasserstoffversorgung auf, insofern gibt es eine starke Interaktion zwischen den einzelnen europäischen Ländern. Klar ist aber auch, dass Klimaschutz letztlich nur weltweit zu schaffen ist, und auch nur, wenn wir weiterhin außereuropäische Quellen für Energie nutzen. Wir werden auch langfristig erneuerbare Energien im großen Stil importieren müssen. Dabei stehen wir natürlich in Konkurrenz zu anderen Regionen auf der Welt. In der Studie bilden wir diese Abhängigkeiten global mit einem sogenannten Fair-Share-Ansatz für Europa ab. Das heißt, wir gehen nicht davon aus, dass Europa die weltweit günstigsten Ressourcen exklusiv beanspruchen kann, sondern nur einen fairen Anteil erhält. Innerhalb von Europa gehen wir dann ganz detailliert vor und berücksichtigen die Infrastrukturketten von den Energiequellen bis hin zu den einzelnen Endanwendungen.

Derzeit ist die weltweite politische Lage bezüglich künftiger Treibhausgasregularien unklar. Inwieweit beeinflusst das die Studienergebnisse?

Eines der spannendsten Aspekte an dieser Studie ist, dass sie sich von politischen Überlegungen vollkommen frei macht. Bei uns geht es eben nicht darum, bestimmte Politikannahmen umzusetzen, sondern um einen rein naturwissenschaftlich-technischen Fokus. Wir suchen die Technologiekombinationen, mit denen sich die CO2-Emissionen bestmöglich minimieren lassen, unter der Rahmenbedingung, dass diese auch in den jeweiligen Zeitrahmen technisch umsetzbar sind. Daher erzeugen wir ausdrücklich keine Vorhersagen oder Prognosen, sondern entwickeln rein theoretische Szenarien. Die Realität wird von der Politik beeinflusst, von den finanziellen Möglichkeiten und vielleicht von der Lobby-Arbeit bestimmter Gruppen. Die FVV leistet hier einen wichtigen Fachbeitrag in einer emotional aufgeladenen Diskussion, indem sie die rein technische Seite betont und damit vielleicht auch helfen kann, Politik und Regularien ein Stück weit realitätsnäher zu gestalten.

Oftmals kommen Studien mit ähnlichen Untersuchungsinhalten zu gänzlich anderen Ergebnissen. Woran liegt das?

Wenn man sich die Studienlandschaft anschaut, erkennt man Bereiche mit einem breiten Konsens. Ich würde daher nicht soweit gehen, dass immer ganz unterschiedliche Ergebnisse herauskommen. Allerdings sind alle diese Studien zukunftsgerichtet, sie arbeiten mit Parametern, die eine Welt beschreiben, die wir heute noch nicht kennen. Daher muss man Annahmen treffen. Insbesondere bei Lebenszyklusansätzen wird man dabei schnell mit Detailfragen konfrontiert, die große Auswirkungen auf das Endergebnis haben. Es liegt in der Natur der Sache, dass man hier zu unterschiedlichen Schlüssen und damit auch Ergebnissen kommt. Daher ist es wichtig, Studienergebnisse nicht generell als Prognose anzusehen, sondern als logische Aussage (»wenn Annahme a gilt, dann folgt b«), die nur unter Berücksichtigung der angenommenen Randbedingungen ihre Richtigkeit hat. Weil diese Parameter so wichtig sind, haben wir sehr viel Zeit investiert und Aufwand betrieben, um den aktuellen Wissensstand der Experten, die an diesen Themen arbeiten, einzusammeln und daraus einen Datensatz zu generieren, der aus unserer Sicht die beste Qualität hat, die heute erreichbar ist.

Welchen Stand hat die Studie, wann liegen Ergebnisse vor?

Die erste Hälfte der Studienarbeitszeit entfiel auf den Aufbau der Datenbank sowie die Zusammenstellung der Parameter und der Daten. Diese Datenbank, die alle Technologieoptionen einschließlich CO2-Fußabdruck, Kosten und Wirkungsgrad umfasst, wird innerhalb der FVV veröffentlicht und steht dann den Mitgliedsunternehmen für eigene Untersuchungen und Analysen zur Verfügung. Im Moment werden diese Daten in das Rechenmodell eingepflegt, danach können erste Simulationen durchgeführt werden. Im dritten Quartal 2025 liegen voraussichtlich erste Ergebnisse vor. Das ist für uns eine ganz spannende Phase, denn dann sehen wir, ob und wo wir Details anpassen und Modellparameter nachschärfen müssen. Am Ende dieses Prozesses stehen dann die quantitativen Ergebnisse. Ich gehe davon aus, dass das Ende 2025 so weit sein wird. //