Dekarbonisierung des Energiesystems

Um die klimapolitischen Ziele zu erreichen, werden die Infrastrukturen der Energieversorgung derzeit massiv um- bzw. ausgebaut. Insbesondere der Ausbau der erneuerbaren Energien steht im Mittelpunkt. Dieser gehört laut den Befragungsergebnissen (Datengrafik) zu den Trends, die als besonders relevant für die Resilienzsteigerung des Infrastruktursystems eingeschätzt werden. Seit 2000 hat der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung von 6,6 % auf 53 % im Jahr 2023 deutlich zugenommen [1]. Investitionen in die Errichtung von Erneuerbare-Energien-Anlagen in Deutschland steigen, nach einem mehrjährigen Rückgang, seit 2019 wieder an [2]. Die installierte Leistung der Photovoltaikanlagen hat sich innerhalb von 10 Jahren mehr als verdoppelt [3]. Die Bruttoenergieerzeugung aus Wind auf dem Festland (Onshorewindkraft) hat sich in diesem Zeitraum verdoppelt. Die Installation von Neuanlangen schreitet allerdings langsamer voran, als es die politisch festgelegten Klimaziele erfordern [4]. Bei der Bruttoleistung der Offshorewindkraft ist ein Wachstum von 0,7 TWh im Jahr 2012 auf 25,2 TWh im Jahr 2022 zu verzeichnen [2]. Es gibt zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei der Weiterentwicklung erneuerbarer Energien. Beispielsweise wurde die größte schwimmende Solaranlage auf dem Geiseltalsee – dem größten künstlichen See Deutschlands – gebaut [5], und es wird an solaren Aufwindkraftwerken geforscht, bei denen die Kraft von Sonne und Wind gebündelt wird, um Strom zu erzeugen [6]. Außerdem waren 2023 bei der Entwicklung neuer Materialien für die Energiewende wichtige Fortschritte zu verzeichnen. Parallel dazu werden Technologien zur weltraumbasierten Energieproduktion intensiv erforscht und rücken in den Bereich des Möglichen. Auch im Bereich der Fusionsenergie sind aktuell verstärkte Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten festzustellen, die sich in wachsenden Investitionen (sowohl privater als auch öffentlicher Geldgeber) und einer steigenden Zahl von Start-ups manifestieren [7].

Der Ausbau der Stromnetze ist erforderlich, weil die Erzeugeranlagen teilweise weit entfernt von Nachfragezentren stehen und sich zusätzliche und schnell wachsende Strombedarfe aus der Elektrifizierung von Industrie­pro­zessen, der Wärmeversorgung [8] sowie des Verkehrs ergeben. So lag der Strombedarf für E-Autos in Europa 2022 knapp 5-mal so hoch wie 2021 [9]. Für die Hälfte der befragten Expert/innen (Datengrafik) trägt die wachsende Stromnachfrage zur Verletzlichkeit des Infrastruktursystems bei. Entsprechend ist der Ausbau von Verteilnetzen sowie von Strom-Übertragungsnetzen unter anderem mit dem Ziel, Elektromobilität, Wärmepumpen und Elektrolyseure einzubinden, für die Resilienz des Infrastruktursystems besonders wichtig.

Der verstärkte Ausbau der Energieerzeugungsanlagen benötigt außerdem Flächen und spitzt die Flächennutzungskonkurrenz zu, die auch in Deutschland bereits zu beobachten ist (z.B. zwischen Biomasseproduktion, dem Ausbau erneuerbarer Energieanlagen, Naturschutz, Landwirtschaft). Um auf weniger Fläche mehr Endenergie zu erzeugen, werden alternative Anlagen sowie Systemkonfigurationen konzipiert und getestet. Dazu gehören beispielsweise Höhenwindräder oder der Einsatz von Photovoltaik in der Landwirtschaft, aber auch Konzepte wie die Agrothermie, bei der landwirtschaftliche Nutzfläche zur Erzeugung von Lebensmitteln und zugleich als große Geothermiefelder genutzt wird [10].

Obwohl der Ausbau der erneuerbaren Energien von den meisten Expert/innen als resilienzfördernd eingeschätzt wird (Datengrafik), wird die zunehmende Abhängigkeit der Solar- und Windindustrie von ausländischen Lieferanten [11] gleichzeitig als Vulnerabilitätsfaktor des Infrastruktursystems angesehen. Der steigende Bedarf an kritischen Rohstoffen (Datengrafik) und Vorprodukten zum Aufbau der Energieinfrastruktur bringt neue Risiken von Preisschocks und Versorgungsengpässen mit sich.

Die geopolitische Versorgungss­icherheit ist bei kritischen Mineralien vergleichsweise gering, da die Mineralienproduktion eine höhere geografische Konzentration aufweist als die Produktion fossiler Brennstoffe [12]. Inflation, höhere Kreditkosten und Engpässe bei der Lieferung von Rohstoffen und Komponenten haben bereits den Zubau erneuerbarer Energien gebremst [13][14] und könnten die Energiewende insgesamt bremsen [11][15][16]. Der Ausbau erneuerbarer Energien trifft außerdem auf einen zunehmenden und weit überdurchschnittlich hohen Fachkräftemangel in relevanten Branchen [17]. Auch diese Entwicklung könnte sich auf die Geschwindigkeit des Ausbaus negativ auswirken und die Transformation des Infrastruktursystems hemmen.

Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff sind in letzter Zeit (wieder) stärker in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt [18]. Maßnahmen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCU) werden in vielen Klimamodellszenarien vorausgesetzt, um die 1,5-°C- und 2-°C- Treibhausgasemissionspfade einzuhalten [19][20]. Gezielte Förderprogramme für Bioenergieanwendungen mit CO₂‐Abschei­dung und -Speicherung (BEECS) werden beispielsweise in Europa aufgesetzt [21], etwa in Großbritannien, wo die Entwicklung entsprechender Geschäftsmodelle unterstützt wird [22]. Auch Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff (Carbon Capture and Utilization – CCU) werden zunehmend kommerzialisiert und verbreiten sich. In Deutschland wird eine Kohlenstoffstrategie (Carbon Management Strategy) erarbeitet, die darauf abzielt, die Rahmenbedingungen für einen effektiven Hochlauf von CCU und CCS zu benennen [23].