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Themenseite - Energiedaten und -szenarien

Langfrist- und Klimaszenarien

Einleitung

Blick über einen im Bau befindlichen Windpark symbolisiert Energiewende.

© Quelle: BMWi/Holger Vonderlind

Hintergrund und Ziel der Projekte

In den Projekten "Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau Erneuerbarer Energien in Deutschland" sowie "Auswirkungen der Klimaschutzziele und diesbezüglicher Maßnahmen auf den Energiesektor und den Ausbau der erneuerbaren Energien" (im Folgenden: "Langfrist- und Klimaszenarien") wird eine wissenschaftliche Analyse für den Transformationsprozess zu einem weitgehend treibhausgasneutralen Energiesystem in Deutschland durchgeführt. Die Studie bietet damit eine wichtige Orientierungshilfe für die Diskussion um die Weiterentwicklung der Energiewende.

Die Projekte werden von einem Forschungskonsortium bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), der Consentec GmbH, dem Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (ifeu), unter Beteiligung der Unterauftragnehmer M-Five, der Technischen Universität Wien, der TEP Energy GmbH und der GEF Ingenieur AG durchgeführt. Die Arbeiten wurden im September 2013 begonnen und werden voraussichtlich 2018 abgeschlossen.

Übergreifende Einordnung: Untersuchungsgegenstand, Szenarioarchitektur und Aussagekraft der Szenarien

In den Projekten "Langfrist- und Klimaszenarien" werden Szenarien für ein kostenoptimiertes und sicheres Energiesystem modelliert. Die Modellierung umfasst das gesamte Energiesystem: Strom, Wärme/Kälte, Verkehr, Industrie.

Dem Energiekonzept der Bundesregierung entsprechend reicht der Zeithorizont der Modellierung bis 2050. Mit Ausnahme des sogenannten Referenzszenarios werden dabei in den (Ziel-)Szenarien die energie- und klimapolitischen Ziele des Energiekonzepts grundsätzlich erreicht. Um das Spektrum möglicher Transformationspfade für das Energiesystem möglichst umfassend abzubilden, werden diverse Zielszenarien modelliert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf den Kosten des Energiesystems.

Im folgenden PDF-Dokument finden Sie eine nähere Erläuterung und übergreifende Einordnung der Projekte - es werden insbesondere der Untersuchungsgegenstand, das Vorgehen, die Szenarioarchitektur und die Aussagekraft der Szenarien erläutert. Angesichts der komplexen Struktur der Projekte wird empfohlen, vor der Lektüre der einzelnen Berichtsmodule diese übergreifende Einordnung zu lesen.

Weitere Informationen

Berichtsmodule

Die Endberichte zu den Projekten "Langfrist- und Klimaszenarien" gliedern sich in diverse Berichtsmodule. Bislang sind die Arbeiten zu den Modulen 1-6 und 10.a soweit abgeschlossen, dass sie auf dieser Webseite verfügbar sind. Darüber hinaus sind die zentralen Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Forschungsnehmer in einem "Modul 0" zusammengefasst. Mit dem Fortgang der Arbeiten werden die Berichtsmodule der noch ausstehenden Szenarien sukzessive veröffentlicht. Auch das "Modul 0" mit den zentralen Ergebnissen und Schlussfolgerungen der Forschungsnehmer wird im weiteren Projektverlauf mit dem zunehmenden Erkenntnisgewinn infolge der Modellierung weiterer Szenarien ergänzt und aktualisiert.

Im Modul 0 werden die zentralen Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Forschungsnehmer zusammengefasst, die in den Projekten "Langfrist- und Klimaszenarien" gewonnen werden.

Die Schlussfolgerungen, die aus den Szenarien abgeleitet werden können, ergeben sich insbesondere aus dem Vergleich der Szenarien. Insofern wird in den Projekten "Langfrist- und Klimaszenarien" ein szenarienübergreifendes Dokument gepflegt, in dem die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Forschungsnehmer zusammengefasst werden. Dieses Dokument wird im Projektverlauf mit dem zunehmenden Erkenntnisgewinn ergänzt und aktualisiert. Die jeweils aktuelle Version kann hier heruntergeladen werden.

Weiterführende Informationen

Im Modul 1 werden der Hintergrund und die Szenarioarchitektur der Langfristszenarien erläutert. Ferner werden nach einem kurzen Überblick über die Methodik zentrale Rahmendaten und -annahmen wie die fossilen Brennstoffpreise und die Bevölkerungsentwicklung dargestellt. Zudem wird das Biomassepotenzial abgeleitet, das energetisch genutzt werden kann und der Modellierung der Szenarien zugrunde liegt.

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Im Modul 2 wird der genutzte Modellverbund erläutert. Zum einen werden die in den verschiedenen Sektoren eingesetzten Modelle vorgestellt. Dies betrifft sowohl die auf der Nachfrageseite eingesetzten Simulationsmodelle als auch die im Umwandlungssektor eingesetzten Optimiermodelle. Zum anderen wird das Zusammenspiel der verschiedenen Modelle im Modellverbund erläutert.

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Modul 3 enthält das Referenz- und das Basisszenario. Das Referenzszenario ist das einzige Szenario, in dem die wesentlichen energie- und klimapolitischen Ziele des Energiekonzepts der Bundesregierung verfehlt werden, da diese in den Modellen nicht vorgegeben werden. Damit soll keine realistische Handlungsoption durchgespielt werden. Es dient vielmehr dem Erkenntnisgewinn im Vergleich zu den Zielszenarien. Das Referenzszenario ist unter anderem ein Bezugspunkt für die Beantwortung der Frage "Was kostet die Energiewende?". Denn auch ein alternatives Energiesystem, in dem die energie- und klimapolitischen Ziele verfehlt werden, ist mit Kosten für Kraftwerke, Netze, fossile Brennstoffe und so weiter verbunden. Beim Referenzszenario handelt es sich insbesondere im Stromsektor aber dennoch um ein kostenoptimiertes und damit in gewisser Weise fiktives Szenario. Es werden die günstigsten Optionen eingesetzt und es wird von viele realen Hemmnissen abstrahiert. Das Szenario stellt also keinen "Business-as-usual"-Fall dar.

Das Basisszenario ist das zentrale Zielszenario der Langfristszenarien. Es handelt sich um ein Szenario, in dem die energie- und klimapolitischen Ziele möglichst kosteneffizient erreicht werden. Neben den wesentlichen energie- und klimapolitischen Zielen des Energiekonzepts der Bundesregierung werden den Modellen nur wenige weitere Nebenbedingungen vorgegeben. Dies betrifft im Wesentlichen bestehenden Konsens im Bereich der Stromerzeugung. So wird Photovoltaik mindestens bis zum derzeitigen, im EEG verankerten Deckel von 52 GW ausgebaut, drei Viertel davon als Aufdachanlagen. Ebenso wird Windenergie auf See auf mindestens 15 GW in 2030 ausgebaut. Ferner ist der Einsatz der CCS-Technologie im Basisszenario (wie auch in den anderen Szenarien mit Ausnahme des restriktionsarmen Szenarios, siehe Modul 6) im Stromsektor ausgeschlossen. Darüber hinaus werden im Basisszenario jedoch im Sinne des größtmöglichen Erkenntnisgewinns auch gegebenenfalls als extrem empfundene Ergebnisse bewusst zugelassen und nicht in Richtung einer als kompromissfähiger vermuteten Lösung abgeschwächt.

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Die Transformation des Stromversorgungssystems hin zu einer weitgehenden Deckung des Strombedarfs aus erneuerbaren Energien verändert die Anforderungen an die Stromnetze erheblich. Im kostenoptimierten Basisszenario (Modul 3) kommt es zu einem starken Ausbau der Stromnetze. Die momentane Situation zeigt aber, dass sich insbesondere auf der Übertragungsnetzebene die Umsetzung von erforderlichen Netzausbauvorhaben verzögern kann.

In dem Szenario "Geringerer Ausbau der Übertragungsnetze" wird daher ermittelt, welche Auswirkungen ein deutlich geringerer Ausbau des Übertragungsnetzes auf die übrigen Systemkomponenten hat. Hierzu wird über den derzeit beschlossenen Übertragungsnetzausbau hinaus nur noch in bestimmten Ausnahmefällen Netzausbau zugelassen. Dennoch soll auch in diesem Szenario sowohl in Deutschland als auch europaweit die Emissionsreduktion des Basisszenarios erreicht werden.

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Im Basisszenario (Modul 3) wird eine räumliche Verteilung der Erneuerbare-Energien-Anlagen ermittelt, die unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit den anderen Komponenten des Energiesystems, insbesondere dem erforderlichen Netzausbau, zu insgesamt minimalen Systemkosten führt. Es zeigt sich dabei eine relativ hohe Konzentration des Windenergieausbaus an windreichen Standorten im Norden.

In dem Szenario "Alternative regionale EE-Verteilung" wird untersucht, welche Auswirkungen ein stärker über Deutschland verteilter Ausbau der Windenergie hat. Dabei geht es unter anderem um die Frage, wie viel Übertragungsnetzausbau durch die geänderte regionale Verteilung des Windenergieausbaus eingespart werden kann. Zudem werden die zusätzlichen Gesamtsystemkosten der alternativen regionalen Verteilung des Windenergieausbaus ermittelt.

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Das restriktionsarme Szenario ist eine spezielle Variante des Basisszenarios (Modul 3). Im restriktionsarmen Szenario werden einige der im Basisszenario vorgegebenen Nebenbedingungen aufgegeben, um deren Gesamtheit hinsichtlich ihrer Kostenwirkung zu bewerten. Zum einen gibt es im restriktionsarmen Szenario im Vergleich zum Basisszenario noch weniger technologiespezifische Vorgaben hinsichtlich des zukünftigen Ausbaus der erneuerbaren Energien im Stromsektor. Dem Modell wird lediglich noch vorgegeben, dass in 2020 6,5 GW Windenergieanlagen auf See errichtet sein müssen. Darüber hinaus gibt es keinen festgelegten Mindestzubau bei Wind auf See. Ebenso wird bei der Photovoltaik im Vergleich zum Basisszenario weder ein Mindestzubau von 52 GW noch ein Mindestanteil von Aufdachanlagen vorgegeben. Zum anderen sind als weitere Änderung CCS-Technologien auch im Stromsektor zugelassen, die im Basisszenario nur in ausgewählten Industrieprozessen zum Einsatz kommen. Ferner wird im Gegensatz zu den anderen Zielszenarien im restriktionsarmen Szenario keine (vollständige) Erdverkabelung bei Gleichstromleitungen (HGÜ) unterstellt.

Das restriktionsarme Szenario treibt damit den Kostenoptimierungsgedanken des Basisszenarios noch weiter. Durch den größeren Lösungsraum, der dem Modell infolge der weggefallenen Nebenbedingungen zur Verfügung steht, ist das restriktionsarme Szenario das einzige Zielszenario, das geringere Systemkosten aufweist als das Basisszenario. Dabei werden jedoch die mit der Aufhebung der Nebenbedingungen verbundenen Akzeptanzprobleme und negativen ökologischen Wirkungen (siehe hierzu Modul U) ausgeblendet. Insofern weist das restriktionsarme Szenario in besonderem Maße einen fiktiven Charakter auf und dient vor allem dem Verständnis von Wirkungszusammenhängen.

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Im Basisszenario (Modul 3) wird der Technologiemix bei den erneuerbaren Energien grundsätzlich frei optimiert, so dass die Systemkosten minimiert werden. Es wurde lediglich ein Mindestausbau von 52 GW bei Photovoltaik (davon drei Viertel als Dachanlagen) und von 15 GW Windenergie auf See ab 2030 vorgegeben. Im Ergebnis zeigt sich im Basisszenario insbesondere ein sehr starker Ausbau von Windenergie an Land. In der öffentlichen Debatte bezüglich der Struktur des zukünftigen Ausbaus der erneuerbaren Energien spielen neben den Systemkosten jedoch auch weitere Aspekte eine Rolle. Hierzu gehören beispielsweise Fragen der Akzeptanz, Akteursvielfalt, ökologische Wirkungen, Flächennutzung oder regionalen Wertschöpfung.

Vor diesem Hintergrund soll in dem Szenario "Alternativer EE-Erzeugungsmix" untersucht werden, welche Auswirkungen ein alternativer Erzeugungsmix bei den erneuerbaren Energien auf die anderen Systemkomponenten (unter anderem Netzausbau, konventionelle Kraftwerke) sowie die Gesamtsystemkosten hat. Im Vergleich zum Basisszenario ist im Szenario "Alternativer EE-Erzeugungsmix" eine Verschiebung des Ausbaus der erneuerbaren Energien hin zu Technologien mit relativ geringer Flächenwirkung und relativ geringen lokalen Akzeptanzproblemen geplant, insbesondere also höhere Anteile von Windenergie auf See und/oder PV-Aufdachanlagen.

Das Modul 7 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

Im Basisszenario (Modul 3) wird die Geschwindigkeit des Ausbaus der erneuerbaren Energien unter den gegebenen Rahmenbedingungen und politischen Zielen weitestgehend frei optimiert. Dabei nimmt insbesondere die Geschwindigkeit des Windenergieausbaus in späteren Dekaden zu, was mit industriepolitischen Herausforderungen einhergehen kann.

In dem Szenario "Ausbautempo EE-Strom" sollen die Folgen einer höheren Ausbaugeschwindigkeit bei den erneuerbaren Energien ermittelt werden. Kritisch könnten beispielsweise unzureichende Übertragungskapazitäten sowie lokale Engpässe aufgrund fehlender Stromnetze, deren Ausbau nicht beliebig beschleunigt werden kann, und eine höhere Abregelung von Erzeugungsanlagen sein.

Das Modul 8 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

Der kostenoptimierende Charakter des Basisszenarios (Modul 3) führt europaweit zu einem starken Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Des Weiteren findet im Basisszenario ein Speicherausbau aus Kostengründen nicht statt. Dahingegen werden in erheblichem Maße Netze als günstigste Flexibilität ausgebaut, um für den großräumigen Ausgleich der witterungsbedingt fluktuierenden Einspeisung der erneuerbaren Energien zu sorgen. Dieser großräumige Ausgleich erfolgt nicht nur national, sondern europaweit.

Die Modellierung ist für die Stützjahre (2020, 2030, 2040 und 2050) stündlich und damit zeitlich hoch aufgelöst. Bei der Modellierung wurden die empirischen Wetterdaten des Jahres 2010 zugrunde gelegt, welches ein "normales" beziehungsweise unauffälliges Wetterjahr darstellt.

In Modul 9 soll untersucht werden, welche Auswirkungen andere Wettersituationen auf die Versorgungssicherheit eines Energie- beziehungsweise Stromversorgungssystems haben, das weitgehend auf fluktuierenden erneuerbaren Energien basiert. Dies gilt insbesondere für Extremwettersituationen, zum Beispiel eine sogenannte "Dunkelflaute" über einen längeren Zeitraum.

Das Modul 9 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht für das Jahr 2050 eine Reduktion der Treibhausgasemissionen von 80 bis 95 Prozent im Vergleich zu 1990 vor. Für die meisten Szenarien in den Projekten "Langfrist- und Klimaszenarien" wird eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um mindestens 80 Prozent bis 2050 vorgegeben. Eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um 95 Prozent stellt im Vergleich zu einer 80-prozentigen Emissionsreduktion noch einmal ein deutlich höheres Ambitionsniveau dar. In dem Modul 10 wird untersucht, welche Unterschiede sich ergeben, wenn bis 2050 die Emissionen um 95 Prozent reduziert werden sollen.

In Modul 10.a werden zunächst mögliche Optionen und Strategien für eine 95-prozentige Treibhausgasreduktion systematisiert. Das Ziel der Analysen in dem Modul 10.a ist nicht, einen konkreten Pfad in Form eines Szenarios darzustellen, sondern Erkenntnisse über den Lösungsraum abzuleiten. In noch ausstehenden Arbeiten des Moduls 10 werden modellbasierte Szenariorechnungen und ergänzende qualitative Analysen diese Erkenntnisse vertiefen.

Weiterführende Informationen

In Modul 10.b wird eine 95-prozentige Reduktion der Treibhausgasemissionen quantitativ modelliert.

Modul 10.b wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

In Modul 11 soll untersucht werden, welche Folgen eine deutlich dezentralere Erzeugungsstruktur hätte, als dies im kostenoptimalen Basisszenario (Modul 3) der Fall ist.

Eine mögliche Ausprägung des Szenarios "Dezentrales System" wäre ein starker Ausbau von Photovoltaik-Aufdachanlagen, die gegebenfalls mit Batteriespeichersystemen kombiniert werden. Möglicher Treiber einer solchen Entwicklung könnte unter anderem die indirekte Förderung des Selbstverbrauchs von Strom durch die Befreiung der Eigenversorgung von Abgaben, Umlagen und Entgelten sein.
Im Fokus der Analysen stehen insbesondere die Wirkungen einer stark dezentralen Erzeugungsstruktur auf das Gesamtsystem (unter anderem der Netzausbau) und die damit verbundenen Gesamtsystemkosten.

Das Modul 11 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

In Energieszenarien, die das Gesamtsystem modellieren, hat die Annahme des verfügbaren Biomassepotenzials, das energetisch genutzt werden kann, erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse. In den Szenarien der Projekte "Langfrist- und Klimaszenarien" wird grundsätzlich ein energetisches Biomassepotenzial von etwa 1.400 Petajoule (PJ) angenommen, das in Deutschland genutzt werden kann. Im Basisszenario (Modul 3) wird die Biomasse langfristig insbesondere in Bereichen genutzt, wo alternative Dekarbonisierungsoptionen sehr teuer sind. Dies sind insbesondere der Luft- und Seeverkehr und bestimmte Industrieprozesse.

Im Modul 12 wird analysiert, welche Auswirkungen eine geringere Biomasseverfügbarkeit hätte und wie und zu welchen Kosten dann die Klimaschutzziele erreicht werden können.

Das Modul 12 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

Bei der Modellierung von Energieszenarien wird in der Regel von einem einheitlichen oder zumindest ähnlichen internationalen klimapolitischen Ambitionsniveau ausgegangen. Dies ist grundsätzlich auch in den Szenarien der Fall, die in den Projekten „Langfrist- und Klimaszenarien“ modelliert werden.

Insbesondere zu Beginn der Energiewende hat Deutschland im Hinblick auf das klimapolitische Ambitionsniveau im internationalen Vergleich aber eine Vorreiterrolle eingenommen. Mit dem Fortschreiten der Energiewende können sich infolge unterschiedlicher Ambitionsniveaus oder Geschwindigkeiten, mit denen Staaten in Europa ihre Energie- und Klimaziele verfolgen, allerdings zunehmende Spannungen im System ergeben. Beispielsweise könnten konventionelle Kraftwerke in Deutschland einen Wettbewerbsnachteil gegenüber europäischen Kraftwerken erleiden. Ebenso können im Industriesektor ambitionierte energie- und klimapolitische Maßnahmen zu Wettbewerbsverzerrungen und letztlich Carbon Leakage führen, wenn im Ausland ein geringeres Ambitionsniveau verfolgt wird.

Vor diesem Hintergrund sollen in Modul 13 die Folgen eines geringeren europäischen Ambitionsniveaus auf die deutsche Energiewende untersucht werden.

Das Modul 13 wird erst noch im weiteren Projektverlauf bearbeitet, so dass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

Im Modul U werden die modellierten Szenarien hinsichtlich ihrer ökologischen Wirkungen evaluiert. Die ökologischen Wirkungen beziehungsweise Umweltkosten sind in der Modellierung, die die Systemkosten optimiert, nicht enthalten. Eine unmittelbare Berücksichtigung in der Modellierung wäre aufgrund der methodischen Herausforderungen beziehungsweise Spielräume bei der Quantifizierung und Monetarisierung mit erheblichen Problemen verbunden. Die ökologischen Wirkungen werden daher separat im Modul U untersucht. Auf diese Weise können die ökologischen Wirkungen bei der Bewertung der Szenarien adäquat berücksichtigt werden.

Das Modul U wird derzeit noch bearbeitet, sodass hierzu noch kein Bericht vorliegt.

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