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Als fairer Beitrag Deutschlands zur Einhaltung der globalen 1,5-Grad-Grenze werden 16 Orientierungspunkte für eine klimaverträgliche Energieversorgung vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür die deutschen energiebedingten CO2-Emissionen in etwa 15 Jahren weitgehend auf Null sinken müssen. Energieeinsparung hilft, den notwendigen Ausbau von regenerativen Erzeugungskapazitäten zu verringern. Der Verkehrssektor kann ebenso wie die Bereiche Prozess- und Gebäudewärme hierzu wesentlich beitragen. Die Kernenergie ist mit großen Risiken belastet und kann nicht hinreichend schnell aufgebaut werden. Biomasse in Form von Energiepflanzen zu nutzen, ist ineffizient und steht im Konflikt mit anderen Arten der Landnutzung. Importe klimaneutral erzeugter Energieträger in sehr großem Umfang erfordern extrem große Investitionen im Ausland. Sie sind eine ungesicherte Option auf die Zukunft.
Entscheidend ist daher der ausreichend schnelle Ausbau von Photovoltaik (PV) und Windkraft in Deutschland. Schätzungsweise kann der Elektrizitätsbedarf im Jahr 2030 z.B. durch den Ausbau auf ca. 350 GW PV und ca. 150 GW Windkraft nahezu vollständig regenerativ gedeckt werden. Damit ließe sich eine zum großen Teil elektrifizierte Mobilität und Wärmeversorgung betreiben und ein Teil des benötigten "grünen" Wasserstoffs in Deutschland bereitstellen. Hierfür ist ein jährlicher Zubau von durchschnittlich ca. 30 GW PV und ca. 9 GW Windkraft nötig. Dies ist ca. sechs- (PV) bzw. dreimal (Wind) so hoch wie bisher vorgesehen und verlangt eine gesellschaftliche Kraftanstrengung. Ein weiter verzögerter Ausbau müsste mit noch deutlich größeren gesellschaftlichen Anstrengungen für drastische Energieeinsparungen oder Importe erneuerbarer Energie ausgeglichen werden. Insgesamt könnte dies noch deutlich schwieriger zu realisieren sein, als ein ambitionierter Ausbau. Da der Aufbau der Kapazitäten mehrere Jahre erfordert, ist es möglich nachzusteuern, z. B. wenn erkennbar wird, dass sich ein ausreichend großer globaler Markt für Importe entwickelt. Bis dahin ist es aus Verantwortung gegenüber der Zukunft und im Sinne des Pariser Vertrages empfehlenswert, die hier genannten Ausbauziele zu verfolgen.
Grüner, also aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff und daraus abgeleitete Syntheseprodukte sind für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen, den Flug- und Schiffsverkehr sowie für die Absicherung der Energieversorgung bei Dunkelflauten nötig. Ohne die genannten Ausbauziele für Wind und Solar noch drastisch weiter zu erhöhen, stehen diese Produkte für Straßenverkehr und Wärmeversorgung jedoch nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Techniken zum Ausgleich zwischen Elektrizitätsangebot und -nachfrage sind verfügbar und sollten rechtzeitig auf- bzw. ausgebaut werden. Hierzu gehören: Stromaustausch mit den Nachbarländern, Flexibilisierung des Verbrauchs und Energiespeicherung. Für deren Integration sowie den Ausbau der Netze sollten zügig verbesserte rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen werden.
Die Kosten eines klimaverträglichen Energiesystems sind mittel- bis langfristig nicht höher als im derzeitigen System. Gleichzeitig entstehen Arbeitsplätze und Exportchancen durch Aufbau, Betrieb und Wartung einer regenerativen Energieversorgung in Deutschland und die energetische Gebäudesanierung. Die politischen Rahmenbedingungen entscheiden, ob eine klimaverträgliche Energieversorgung Deutschlands gelingt.
Appropriate climate change mitigation requires solutions for all actors of the energy system. The residential sector is a major part of the energy system and solutions for the implementation of a seasonal hydrogen storage system in residential houses has been increasingly discussed. A global analysis of prosumer systems including seasonal hydrogen storage with water electrolyser, hydrogen compressor, storage tank, and a fuel cell studying the role of such a seasonal household storage in the upcoming decades is not available. This study aims to close this research gap via the improved LUT-PROSUME model, which models a fully micro sector coupled residential photovoltaic prosumer system with linear optimisation for 145 regions globally. The modelling of the cost development of hydrogen storage components allows for the simulation of a residential system from 2020 until 2050 in 5-year steps in hourly resolution. The systems are cost-optimised for either on- or off-grid operation in eight scenarios including battery electric vehicles, which can act as an additional vehicle-to-home electricity storage for the system. Results show that implementation of seasonal hydrogen systems only occurs in least cost solutions in high latitude countries when the system is forced to run in off-grid mode. In general, a solar photovoltaic plus battery system including technologies that can cover the heat demand is the most economic choice and can even achieve lower cost than a full grid supply in off-grid operation for most regions until 2050. Additional parameters including the self-consumption ratio, the demand cover ratio, and the heat cover ratio can therefore not be improved by seasonal storage systems if economics is the main deciding factor for a respective system. Further research opportunities and possible limitations of the system are then identified.
Globally, PV prosumers account for a significant share of the total installed solar PV capacity, which is a growing trend with ever-increasing retail electricity prices. Further propelled by performance improvements of solar PV and innovations that allow for greater consumer choice, with additional benefits such as cost reductions and availability of incentives. PV prosumers may be one of the most important enablers of the energy transition. PV prosumers are set to gain the most by maximising self-consumption, while avoiding large amounts of excess electricity being fed into the grid. Additionally, electricity and heat storage technologies, heat pumps and battery electric vehicles are complementary to achieve the highest possible self-consumption shares for residential PV prosumer systems, which can reach grid-parity within this decade in most regions of the world. This research finds the cost optimal mix of the various complementary technologies such as batteries, electric vehicles, heat pumps and thermal heat storage for PV prosumers across the world by exploring 4 different scenarios. Furthermore, the research presents the threshold for economical maximum battery capacity per installed PV capacity, along with self-consumption ratios, demand cover ratios and heat cover ratios for 145 different regions across the world. This is a first of its kind study to conduct a global analysis of PV prosumers with a range of options to meet their complete energy demand from a future perspective, up to 2050. Maximising self-consumption from solar PV generation to meet all energy needs will be the most economical option in the future, for households across most regions of the world.
Coupling energy sectors within the emerging residential PV prosumer systems is necessary for an optimised use of the houseowners’ own produced electricity. But the pure availability of different energy technologies in the system is not enough. By optimising the electricity usage as well as the capacities of PV generators, storage technologies, heat pumps and battery electric vehicles, not only the best solution in a technical point of view can be achieved, the need of finding the most financially beneficial system composition for single-family houses and tenements is possible. The study provides a detailed model for average German single-family houses and tenements and results for the energy transition period until 2050 for the optimised energy systems regarding optimised PV and stationary battery capacities and different heat storage capacities. Most noticeable outcomes can be observed by using a vehicle-to-home car, where a car can mostly take over the tasks of a stationary battery and by introducing a solidarity model using this type of car in tenement systems.