Der Beitrag der Gasinfrastruktur für eine effiziente CO 2 -Vermeidung

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1 Der Beitrag der Gasinfrastruktur für eine effiziente CO 2 -Vermeidung Harald Hecking, Martin Hintermayer und Dominic Lencz, Energiekosten, Klimaziele, Emissionen, Gasinfrastruktur Die bestehende Gas- und Wärmeinfrastruktur ist ein wesentlicher Baustein, um die deutschen Klimaziele in 23 (-55 % ggü. 199) und in 25 (-95 % ggü. 199) marktgetrieben und kosteneffizient zu erreichen: Denn aufgrund der verhältnismäßig geringen CO 2 -Vermeidungskosten ist es ökonomisch sinnvoll, in den Endverbrauchssektoren weiterhin und zunehmend auf Gasanwendungen, Fern- und Nahwärme zu setzen. Die Minderungsziele bis Mitte der 23er Jahre können mit Erdgas als Brennstoff erreicht werden. Bei schärferen Minderungszielen wird zunehmend klimaneutrales Gas, z. B. Biogas oder synthetisches Gas bzw. Wasserstoff benötigt. Eine ordnungsrechtlich durchgesetzte weitgehende Elektrifizierung und damit Verdrängung von Gas führt zu höheren Kosten. Grund dafür ist die deutlich bessere Speicher- und Transportfähigkeit von Gas im Vergleich zu Strom. Hierdurch fallen strukturelle Umbrüche in der und auf Verbraucherseite deutlich geringer aus. Konkret können Investitionen in Gaskraftwerke und Stromspeicher eingespart werden. Außerdem reduziert die Nutzung von Gas und Wärme in den Endverbrauchssektoren den Bedarf nach Stromnetzausbau und verringert zudem die Umrüstkosten der Endverbraucher erheblich. Das Kölner Forschungsinstitut ewi Energy Research & Scenarios (ewi ER&S) berechnete in einer kürzlich veröffentlichen Studie, dass ein technologieoffener, marktgetriebener Pfad (Szenario Evolution), in dem sich Gastechnologien durchsetzen, bis zum Jahr 25 rund. 14 Mrd gegenüber einer ordnungsrechtlich durchgesetzten Elektrifizierung (Szenario Revolution) einspart [1]. The contribution of the gas infrastructure for an efficient CO 2 -avoidance The existing gas and district heating infrastructure is essential for reaching the German climate targets in 23 (-55 % towards 199) and in 25 (-95 %towards 199) in a market driven and cost efficient manner: Because of relatively low CO 2 - abatement costs it is economically reasonable to increase gas consumption and the usage of district heating in the end consumer sectors. Until the mid-23s the reduction targets can be reached using natural gas. When reduction targets get stricter the required volume of climate neutral gas will increase steadily, e.g. biogas or synthetic gas or hydrogen. An electrification (and thereby displacement of gas) which is enforced by legislation results in higher costs. This finding is explained by the superior storability and transportability of gas in comparison with electricity. Hereby the structural upheaval in the energy sector and for end consumer are significantly lower. This means, greater investments in gas fired plants for electricity only, batteries and the power grid can be saved. Furthermore the use of gas and district heating in the end consumer sectors reduces conversion costs for consumers substantially. In a recently published study the Cologne research institute ewi Energy Research & Scenarios (ewi ER&S) calculated, that a technology neutral, marked based path (Scenario Evolution), where gas technologies assert, saves about 14 billion until 25 in comparison to an electrification which is enforced by legislation (Scenario Revolution) [1]. 1. Einleitung Zur Erreichung der Pariser Klimaziele und der Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5 C sind langfristig starke Reduktionen der Emissionen von Treibhausgasen (THG) notwendig. Wie diese Ziele optimalerweise erreicht werden können, wird in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik kontrovers diskutiert. Die Diskussion lässt sich auf zwei Pfade verdichten: auf der einen Seite eine ordnungsrechtlich durchgesetzte Elektrifizierung der Endverbrauchssektoren, auf der anderen Seite eine technologieoffene, markt- 42 gwf Gas + Energie 4/218

2 FACHBERICHTE wirtschaftliche CO 2 -Minderung. Während der Elektrifizierungspfad einen weitgehenden Neubau von Energieanwendungen und Stromnetzen/-speichern erfordert, werden im technologieoffenen Pfad bestehende Anlagen und Infrastrukturen marktlich optimal weitergenutzt. In diesem Zusammenhang beauftragten die drei Unternehmen Gelsenwasser AG, Open Grid Europe GmbH und RheinEnergie AG das Forschungsinstitut ewi Energy Research & Scenarios (ewi ER&S) den Wert der vorhandenen Gas- und Wärmeinfrastruktur für eine effiziente CO 2 -Minderung zu bestimmen. Zur Beantwortung dieser Frage entwickelte das Institut zwei Szenarien (Revolution und Evolution), die die sektorenübergreifenden THG-Minderungsziele von 55 % in 23 und 95 % in 25 erreichen. Der erste Weg Szenario Revolution in der Studie stellt eine ordnungsrechtlich durchgesetzte, weitreichende Elektrifizierung in den Endenergieverbrauchssektoren Gebäude und Industrie dar. Insbesondere durch den verpflichtenden Einbau von Wärmepumpen und Power-to- Heat-Anlagen verschiebt sich die Endenergienachfrage in den Sektoren von fossilen Energieträgern zu Elektrizität. Gasinfrastruktur (insbesondere das Verteilnetz) verliert in diesem Szenario an Bedeutung. Der zweite Weg Szenario Evolution ist technologieoffen ausgestaltet. In diesem Szenario errechnet das ewi-optimierungsmodell DI- MENSION+ den kostengünstigsten Pfad zur Minderung der THG-Emissionen. Konkret werden Kapitalkosten, Betriebs- sowie Wartungskosten in den Sektoren, Gebäude und Verkehr, Brennstoffkosten aller Sektoren (sowohl für konventionelle als auch biogene und synthetische Kraftstoffe), Netzkosten sowie Stromimporte und Importe von synthetischem Gas abgebildet. Ergebnis der Optimierung: Durch den Einsatz von Gas und den Erhalt der Gasinfrastruktur können gegenüber dem Szenario mit weitgehender Elektrifizierung deutlich Kosten gespart werden. Durch einen Vergleich der beiden Pfade wird im Folgenden gezeigt, welchen Beitrag Gasnetze sowie ihre Anwendungen für eine effiziente Erreichung der notwendigen THG-Minderung leisten. 2. Entwicklung der Heizungstechnologie im Gebäudesektor Im Szenario Revolution wird die Wärmepumpe ordnungsrechtlich in den Heizungsmarkt gedrängt. Im marktgetriebenen Szenario Evolution bleiben Gasheizungen die dominante Heizungstechnologie. Ausgangspunkt für das Szenario Revolution ist eine Minderung der THG-Emissionen durch eine ordnungsrechtlich durchgesetzte weitreichende Elektrifizierung im Gebäudesektor und der Industrie. Vorgeschrieben wird daher ein massiver Ausbau von Wärmepumpen im Gebäudesektor, analog zu den Zielwerten von Agora Energiewende [2]. Konkret bedeutet dies sechs Mio. Wärmepumpen bis zum Jahr 23 und 13 Mio. Wärmepumpen bis zum Jahr 25 (Bild 1). Der Einbau dieser Technologie ist in vielen Fällen nur nach einer umfassenden Wärmedämmung des Gebäudes sowie ggf. weiterer baulicher Maßnahmen (z. B. Einbau von Fußbodenheizungen, bzw. Niedertemperaturheizungen) möglich. Diese Veränderungen im Gebäudepark ziehen im Szenario Revolution daher hohe Investitionskosten für neue Heizsysteme und Gebäudedämmung nach sich. Im Gegensatz dazu werden im Szenario Evolution im Gebäudesektor mit deutlich geringeren Strukturbrüchen Emissionen eingespart. Dies geschieht, indem einerseits alte Heizungen durch neue, effizientere ersetzt werden und andererseits vom CO 2 -intensiveren Heizöl zum emissionsärmeren Gas gewechselt wird. Installationskosten solcher Heizsysteme sind im Vergleich zu Wärmepumpen geringer und zusätzlich sind weniger Effizienzmaßnahmen an der Gebäudehülle notwendig. Neben den beschriebenen Effizienzgewinnen 2 Mio. Stück ,5 1,6,5,7 6,1 4 5,7 5,2 1,9 13,2 11,4 9,1 8,6 9,1,9 2,7 Revolution Evolution Revolution Evolution Gasheizung Ölheizung Wärmepumpe FW-Heizung Andere Bild 1: Entwicklung der Heizungstechnologien in Wohngebäuden im Szenario Revolution und Evolution gwf Gas + Energie 4/218 43

3 und der vermehrten Nutzung des emissionsärmeren Energieträgers Erdgas, werden im Szenario Evolution mit zunehmenden Minderungszielen Emissionen durch den Einsatz von synthetischem Erdgas eingespart. Eine ähnliche Entwicklung zeigt sich im Industriesektor. 3. Ausbau der Energieinfrastruktur Ein technologieoffener Pfad lässt strukturelle Umbrüche in der deutlich milder ausfallen. Die Folgen der Elektrifizierung beschränken sich jedoch nicht nur auf die Endverbraucher. Die verstärkte Elektrifizierung der Endenergiesektoren im Szenario Revolution verursacht im Jahr 25 eine um 36 GW höhere Nachfrage nach gesicherter elektrischer Leistung als im Szenario Evolution. Diese Leistung muss zu großem Maße in einer zweiwöchigen kalten Dunkelflaute auch ohne Erneuerbare Energien abgesichert werden. Dadurch sind im Szenario Revolution große Back-Up-Kapazitäten nötig, die nur in wenigen Stunden des Jahres tatsächlich abgerufen werden. Wegen ihrer Flexibilität und geringen Investitionskosten werden dazu hauptsächlich Gaskraftwerke gebaut. Konkret muss im Szenario Revolution ein Zubau in Höhe von 76 GW an Gaskraftwerkskapazitäten erfolgen. Im Szenario Evolution ist ebenfalls ein Zubau von Gaskraftwerken notwendig; allerdings lediglich 44 GW. Zudem erfordert die weitreichende Elektrifizierung einen verstärkten Stromnetzausbau. Insbesondere die Strom-Verteilnetze müssen vermehrt ausgebaut werden, sodass im Szenario Revolution hierdurch jährliche Mehrkosten von bis zu 4 Mrd. entstehen. Im Szenario Evolution wird das Gasnetz hingegen weiterhin in ähnlichem Maß genutzt. Zusätzlicher Ausbau im Vergleich zum Szenario Revolution ist hier nur in geringem Ausmaß zu erwarten, da das Gasnetz bereits ausreichend dimensioniert ist. Die Netzkosten für Gas sind im Szenario Evolution deshalb nur geringfügig höher als im Szenario Revolution. In Summe spart das Szenario Evolution für den Ausbau von Energieinfrastrukturen rund 52 Mrd. gegenüber dem Szenario Revolution. Eine weitere Implikation der verstärkten Stromnachfrage liegt in einer größeren Stromimportabhängigkeit. Während sich im Szenario Evolution Importe und Exporte im Betrachtungszeitraum bis 25 in etwa die Waage halten, kommt es im Szenario Revolution ab dem Jahr 23 in allen Jahren zu Nettostromimporten. Hierdurch können im Szenario Evolution 95 Mrd. eingespart werden. 4. Einsatz von synthetischen Brennstoffen Synthetische Brennstoffe werden in beiden Szenarien zwingend zur Erreichung der THG-Minderungsziele 25 benötigt. Befürworter einer Elektrifizierung nennen häufig die sinkende Abhängigkeit von traditionellen Energieträgern als Vorteil. Im Rahmen der durchgeführten Analyse zeigt sich jedoch, dass dieser Vorteil nur begrenzt ist. Dies liegt daran, dass zur Erreichung ambitionierter Klimaziele die Brennstoffe in beiden Szenarien zunehmend synthetisch hergestellt werden müssen, da sie in beiden Szenarien in großen Mengen zur Erreichung der THG-Minderungsziele von 95 % in 25 gegenüber 199 benötigt werden. So werden in 25 im Szenario Revolution 448 TWh und im Szenario Evolution 634 TWh benötigt (Bild 2). Unterschiede ergeben sich hinsichtlich des PtX-Einsatzes in den einzelnen Sektoren. Während im Szenario Evolution in 25 rund 145 TWh synthetische Brennstoffe im Gebäudesektor benötigt werden, liegt der Bedarf im Szenario Revolution lediglich bei 29 TWh. Aufgrund des verstärk- TWh Bild 2: Einsatz von synthetischen Brennstoffen nach Sektor im Jahr 25 im Szenario Revolution und Evolution Revolution Evolution 25 Verkehr Gebäude Industrie 44 gwf Gas + Energie 4/218

4 FACHBERICHTE ten Einsatzes von Wärmepumpen, wird dafür mehr synthetisches Gas in Gaskraftwerken genutzt, da diese in Situationen geringer EE-Einspeisung den notwendigen Strom für Stromanwendungen liefern müssen. Die Erforschung der notwendigen Technologien stellt daher eine zentrale Aufgabe zur Erreichung der Klimaziele dar. Die synthetischen Brennstoffe kommen gemäß der Analyse hauptsächlich aus dem außereuropäischen Ausland. Dort können synthetische Brennstoffe günstig in großen Mengen hergestellt werden, da hohe Volllaststunden und damit Auslastungsgrade für erneuerbaren Strom erreicht werden. Da in beiden Szenarien bis zum Jahr 25 konventionelle Energieträger in stark fallendem Umfang genutzt werden, reduziert sich die energetische Importabhängigkeit bis zu diesem Zeitpunkt in beiden Szenarien um mehr als zwei Drittel. 5. Die Gasverteilnetze Bedarf und Kosten Gasverteilnetze stehen im Szenario Revolution langfristig vor einem Finanzierungsproblem, während sie im Szenario Evolution zur Erreichung der Klimaziele genutzt werden. Eine weitere Folge der ordnungsrechtlich durchgesetzten Elektrifizierung ist eine deutlich sinkende Nachfrage nach Gas im Gas-Verteilnetz. Hiervon sind insbesondere Verteilnetze mit einem hohen Anteil von Wohngebäuden betroffen. Bild 3 zeigt, dass die Nachfrage in einem derartigen Netz im Szenario Revolution bis zum Jahr 25 um rund 75 % zurückgeht. Dies führt bei unveränderten Netzentgelten zu geringeren Erlösen bei den Netzbetreibern und damit zu einer Entwertung bestehender Gasverteilnetze. Würden zum Ausgleich die Netzentgelte erhöht, müssten sich die Netzentgelte fast vervierfachen. Hierdurch würde Gas wirtschaftlich unattraktiv für die Endkunden, was zu einer weiter sinkenden Nachfrage führen würde, was eine Abwärtsspirale nach sich ziehen würde. Da Netzbetreiber also nur bedingt über steigende Netzentgelte die rückgängige Nachfrage kompensieren können, ergibt sich ein Refinanzierungsproblem der Gasverteilinfrastruktur. Da die Gasnachfrage bis 25 im Szenario Revolution stark rückläufig ist, werden zum Teil auch Verteilnetze zurückgebaut, was weitere Kosten verursacht. Zudem stehen im Fall starker Kostendegressionen bei der Herstellung von synthetischen Brennstoffen im Szenario Revolution die Gasverteilnetze nicht mehr uneingeschränkt zu Verfügung, so dass synthetisches Gas nicht direkt in den Endanwendungen eingesetzt werden kann. Im Szenario Evolution kann die Gasinfrastruktur bis 25 auf einem dauerhaft hohen Niveau ausgelastet werden, sodass es kein Refinanzierungsproblem gibt und der Wert des Gasnetzes erhalten bleibt. 6. Kostenvergleich der Szenarien Revolution und Evolution bis 25 Ein technologieoffener Pfad spart mindestens 14 Mrd. bis 25. Die unterschiedlichen Implikationen beider Pfade bezüglich Kraftwerks- und Netzzubauten, Heizungsinstallationen, Dämmungen sowie Importen von synthetischem Gas wirken sich auf die Kosten der beiden Szenarien aus. Bild 4 stellt diese Kostenunterschiede über den Betrachtungszeitraum von 217 bis 25 dar. Im Elektrifizierungsszenario können Einsparungen bei fossilen und synthetischen Brennstoffen erzielt werden. In Summe können 284 Mrd. eingespart werden. Die Mehrkosten für Kapital- und Netzkosten betragen jedoch bereits 328 Mrd. Zusätzlich fallen Mehrkosten für Stromimporte in Höhe GWh 2 4, 18 3,6 3,5 16 3, , , , ,5 199, Revolution Evolution Haushalte [GWh] Gewerbe [GWh] Industrie [GWh] Haushalts-Gasnetzengelte [ct/kwh] ct/kwh Bild 3: Gas-Nachfrageentwicklung in einem von Haushalten dominierten Beispiel-Verteilnetz und für Kostendeckung notwendige Netzentgelte im Szenario Revolution und Evolution gwf Gas + Energie 4/218 45

5 Evolution minus Revolution in Mrd. Euro Bild 4: Summierte Kostendifferenzen zwischen den Szenarien Evolution und Revolution von 217 bis 25 Kapitalkosten* Betriebs- & Wartungskosten* Brennstoffkosten** Netzkosten PtX-Importe Stromimporte Kostendelta gesamt * Kapital- sowie Betriebs- und Wartungskosten für Kraftwerke, PtX-Anlagen, EE-Anlagen, Gebäudedämmung und Heizungen durch Annuisierung der Investitionskosten (ohne Kapital- sowie Betriebs- und Wartungskosten in der Industrie und Nicht-Wohngebäuden). ** Brennstoffkosten für konventionelle und biogene Brennstoffe. von 95 Mrd. an. Insgesamt ergibt sich damit ein Kostenvorteil für das Szenario Evolution in Höhe von 139 Mrd. Hiervon werden bis zum Jahr 23 bereits 24 Mrd. eingespart. Die Klimaziele können daher über einen technologieoffenen Pfad kostengünstiger erreicht werden. Dabei sind mögliche Rückbaukosten der Gasverteilnetze und die Investitionskosten in Nichtwohngebäude und neue Industrieanlagen nicht enthalten sind, da diese nicht seriös quantifiziert werden können. Diese würden jedoch zu weiteren Kostenvorteilen zugunsten des Szenarios Evolution führen. Darüber hinaus zeigen Sensitivitätsanalysen, dass ein technologieoffener Pfad langfristig mehr Optionen offen hält, um auf nicht absehbare Entwicklungen nach 23 zu reagieren. Unabhängig davon ob strom- oder gasbasierte Technologien ab 23 unerwartet günstiger werden, führt der technologieoffene Pfad zu Kosteneinsparungen. 7. Fazit Gas und KWK-Wärme liefern einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele. Zur Erreichung der 95 %-THG-Ziele in 25 ist synthetisches Gas zwingend erforderlich. Die Nutzung von Gasnetzen, Gastechnologien und KWK-Wärme im Endverbrauchssektor bietet aufgrund der Transport- und Speicherfähigkeit von Gas sowie bestehender Infrastrukturen den Vorteil, dass Umbrüche im Energiesystem deutlich geringer ausfallen. Zudem werden hohe Investitionen in den Endverbrauchssektoren vermieden und eine Entwertung von Gas- und Wärmeverteilnetzen verhindert. Darüber hinaus bietet eine technologieoffene Ausgestaltung der Energiepolitik mehr Flexibilität in einer heute noch nicht absehbaren Zukunft. Insbesondere Wärmenetze lassen sich flexibel über die unterschiedlichsten Wärmequellen speisen. Literatur [1] Hecking, H.; Hintermayer, M.; Lencz, D. und Wagner, J.: Energiemarkt 23 und 25 Der Beitrag von Gas- und Wärmeinfrastruktur zu einer effizienten CO 2 -Minderung (ewi ER&S 217). [2] Agora Energiewende: Wärmewende 23 Schlüsseltechnologien zur Erreichung der mittel- und langfristigen Klimaschutzziele im Gebäudesektor (Agora Energiewende 217). Autoren Dr. Harald Hecking Tel.: harald.hecking@ Martin Hintermayer Tel.: martin.hintermayer@ Dominic Lencz Tel.: dominic.lencz@ 46 gwf Gas + Energie 4/218