Die Studie untersuchte das Konzept der Sektorkopplung anhand von drei konkreten Fallstudien, in denen die Bereitstellung von erneuerbaren „grünen“ Gasen wie Biomethan aus der Abwasser-/Abfallbehandlung oder Wasserstoff aus erneuerbarem Strom im Fokus stand. Mit diesen nachhaltigen gasförmigen Energieträgern können Sektoren wie Mobilität, Gebäude oder Industrie versorgt werden und so ihre Ziele beim Klimaschutz erreichen. Als Fallstudien wurden ein Klärwerk, eine Biogasanlage für Bioabfall sowie ein Gebäude mit Photovoltaikanlage ausgewählt. Für alle Fallstudien wurden verschiedene Szenarien für eine Sektorkopplung entwickelt, technisch ausgelegt und mit realen Betriebsdaten der Standorte für ein Referenzjahr in einem zeitlich hochaufgelösten Energiebilanzmodell abgebildet. Dabei wurden für alle notwendigen Aggregate Leistungsparameter und Auslegungen anhand von Herstellerangaben verwendet. Auf Basis der Ergebnisse der Energiebilanz wurden die Szenarien über eine Treibhausgasbilanz bewertet, um ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz im Vergleich zu einem Referenzszenario (Status quo) zu ermitteln. Für alle Szenarien wurde parallel eine Schätzung der Jahreskosten vorgenommen, die neben Investitionen und Betriebskosten auch die laufenden Energiekosten und -erlöse enthielt. Zur Festlegung der Kostenfaktoren und möglichen Erlöse wurden alle relevanten rechtlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt, sofern sie für den Betrachtungszeitraum absehbar sind.

Die Analyse der Fallstudien ergab, dass Sektorkopplung heute technisch möglich und auch ökologisch sinnvoll für den Klimaschutz ist. Durch den Ersatz fossiler Brennstoffe in den Zielsektoren kann eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erzielt werden, wenn die grünen Gase nicht mehr zur Stromversorgung, sondern primär für andere Bedarfe wie Mobilität oder Wärmeversorgung genutzt werden. Der stetig steigende Anteil an erneuerbaren Quellen bei der Stromversorgung (Wind, Solar) macht die Nutzung von grünen Gasen zur lokalen Stromerzeugung immer weniger effektiv für den Klimaschutz. Die Umwandlung von Strom in grüne Gase („power-to-gas“) lohnt sich dagegen für den Klimaschutz nur, wenn tatsächlich nur Strom aus erneuerbaren Quellen mit geringen THG-Emissionen genutzt wird. Sonst überwiegen die Nachteile der Energieverluste, die bei der Umwandlung auftreten.

Wirtschaftlich lohnt sich die Sektorkopplung momentan nur für Anlagen mit hohem Energieüberschuss (Biogasanlage) und bei hohen Erlösen für die grünen Gase, u.a. als Kraftstoff im Mobilitätssektor. Der hohe Strompreis und die noch relativ geringen Erlöse bei Netzeinspeisung von grünen Gasen machen das Konzept für Anlagen mit hohem Eigenstrombedarf wie Klärwerke (noch) nicht wirtschaftlich. Auch die Umwandlung von Strom in Gas („power-to-gas“) ist nur bei niedrigen Strompreisen und hohen Erlösen für Wasserstoff bzw. Biomethan wirtschaftlich attraktiv. Die aktuellen Regelungen im Energiemarkt begünstigen momentan hohe Strompreise durch Steuern und Abgaben, während der Gaspreis hauptsächlich durch Angebot und Nachfrage geregelt wird. Für die zukünftige Entwicklung der Sektorkopplung sind daher ökologisch sinnvolle und vor allem verlässliche Regelungen am Energiemarkt von großer Bedeutung, gerade wenn es um die Steuer- und Abgabenlast auf Energieträger oder die nachhaltige Zertifizierung der grünen Gase geht.

Die Sektorkopplung über die Nutzung von Biomethan oder grünem Wasserstoff aus Klärwerken und Biogasanlagen bietet somit ein Potential für den Klimaschutz der Stadt Berlin. Der mögliche Beitrag aus diesen Anlagen in Berlin ist jedoch im Verhältnis zum Endenergiebedarf der Stadt für Kraftstoff bzw. Erdgas gering (<1%). Selbst wenn alle Biogasanlagen in Brandenburg einbezogen werden, beträgt die Energiemenge des Biomethans nur etwa 13% des Erdgasbedarfs bzw. 28% des Kraftstoffbedarfs von Berlin. Dennoch wird eine Umsetzung der Sektorkopplung für die Standorte mit Biogasanfall zukünftig empfohlen, da zur Erreichung der ambitionierten Klimaschutzziele Berlins alle Beiträge wichtig sein werden.

Ziel dieser Arbeit war es, am Beispiel des Klärwerks Schönerlinde, Szenarien, in denen Biomethan oder Wasserstoff, als Alternative zu einem Referenzszenario ohne „grüne“ Gase, erzeugt werden, zu modellieren und jene Szenarien auf technische Realisierbarkeit, Potential zur Einsparung von CO2-Äquivalenten und wirtschaftliche Durchführbarkeit zu untersuchen. So sollte überprüft werden, wie eine optimale Energie-nutzung/-versorgung des Klärwerks Schönerlinde in naher Zukunft aussehen könnte. Dafür wurde zunächst ein Basisszenario für das Klärwerk Schönerlinde entworfen, welches zukünftige Energie- und Wärmeverbräuche sowie Faulgasproduktion des Klärwerks widerspiegelt und eine komplette Verstromung des Faulgases in den BHKWs vor Ort sowie eine Einspeisung von überschüssigem Strom aus Windkraft vorsieht. Basierend darauf wurden alternative „Grünes Gas“-Szenarien betrachtet. Dabei wurden Aminwäscheszenarien, mit unterschiedlicher Betriebsweise der BHKWs, Elektrolyseszenarien, mit unter-schiedlicher Auslastung des Elektrolyseurs sowie Methanisierungsszenarien, in denen Aminwäsche, Elektrolyseur und biologische Methanisierung zum Einsatz kommen, modelliert. Für die Modellierung und somit Darstellung der Szenarien wurde ein dynamisches Modell in Microsoft Excel zusammengestellt. In dem Modell wurden Daten zu Energie- und Wärmeverbräuchen eingetragen und Energie- sowie Jahresbilanzen hinsichtlich der Lastgänge für jeden Zeitschritt (1h) einzeln berechnet, um eine realistische Einschätzung der zeitlichen Dynamik und der Speicherstände zu gewährleisten. Im Hinblick auf technische Aspekte ist bei den Aminwäscheszenarien eine strom- oder wärmegeführte Betriebsweise der BHKWs möglich. Dies hat entsprechenden Einfluss auf die Auslastung der Aminwäsche sowie der erzeugten Biomethanmenge. Im Hinblick auf die Treibhausgasbilanz wurde festgestellt, dass die Aminwäscheszenarien, mit Herstellung von Biomethan, ökologisch sinnvoll sind. Mit steigendem Anteil von Grünstrom aus erneuerbaren Energiequellen im Netz sind darüber hinaus noch weitere Einsparungen möglich. Wirtschaftlich betrachtet sind die Aminwäscheszenarien gegenwärtig unwirtschaftlicher als das Referenzszenario. Bei den Elektrolyseszenarien ist eine, nach einem Lastgang geschaltete, Elektrolyse am sinnvollsten, da auf diese Weise der Elektrolyseur konstant betrieben wird. Die Elektrolyseszenarien sind, hinsichtlich ihrer Treibhausgasbilanz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, ungünstiger als das Referenzszenario und nur vor-teilhaft, wenn günstiger EE-Strom für die Elektrolyse bezogen wird. Selbst bei Nutzung des Sauerstoffs, aus der Elektrolyse, in der Ozonung kann keine positive Wirtschaftlichkeit erzielt werden. Die Szenarien mit biologischer Methanisierung und BHKWs erzeugen 12% zusätzliches Biomethan. Hinsichtlich ihrer Treibhausgasbilanz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sind sie jedoch, genauso wie die Elektrolyseszenarien, nur vorteilhaft, wenn günstiger EE-Strom für die Elektrolyse bezogen wird, da mit Wirkungsgradverlusten von knapp 25% bei der Wasserstoffherstellung gerechnet werden muss. Haupteinflusspunkte auf den zukünftigen Erfolg, in Hinblick auf umwelttechnische und wirtschaftliche Aspekte der „Grünes-Gas“-Szenarien, sind die Entwicklung der Kosten und Emissionsfaktoren von Netzstrom sowie Erlösen aus Biomethan und Wasserstoff, welche gegenwärtig noch keinen Wettbewerb zur kompletten Verstromung des Faulgases in BHKWs darstellen.