Energie und Ressourcen

Energiesysteme der Zukunft

Eine sichere, bezahlbare und nachhaltige Energieversorgung ist elementar für Deutschland und Europa. Doch wie kann die Transformation zu einer solchen gelingen? Dieser Frage geht die Initiative Energiesysteme der Zukunft (ESYS) nach, an der sich sowohl acatech (Federführung) als auch Leopoldina und Akademienunion beteiligen. In interdisziplinären Arbeitsgruppen erarbeiten mehr als 160 Energiefachleute aus Wissenschaft und unternehmenseigener Forschung Publikationen: Darin ordnen sie Erkenntnisse aus der Energieforschung zu aktuellen politisch-gesellschaftlichen Debatten ein und zeigen Handlungsoptionen auf. Im Jahr 2024 standen drei Themen im Mittelpunkt: Kohlenstoffmanagement, Grundlastkraftwerke und Kernfusion.

Kohlenstoffdioxid: Treibhausgas und Rohstoff

Treibhausgase lassen sich nicht vollständig vermeiden – selbst in einer klimaneutralen Wirtschaft kann dies nicht gelingen. So entstehen in der Landwirtschaft oder bei der Zementherstellung Restemissionen. Gleichzeitig bleibt Kohlenstoff als Rohstoff für das Energiesystem und die Wirtschaft auch in Zukunft unverzichtbar. Neue Technologien, mit denen sich Treibhausgase vermeiden lassen, sind daher nicht ausreichend – auch das sogenannte Kohlenstoffmanagement ist elementar. Dabei werden entstandene Treibhausgase aus der Atmosphäre ferngehalten oder entfernt, damit sie nicht zur Erderwärmung beitragen. Der Kohlenstoff wird recycelt, der Bedarf an fossilem Kohlenstoff sinkt.

Eckpunkte hinsichtlich des CO₂-Managements setzen die „Carbon Management Strategie“ und die „Langfriststrategie Negativemissionen“ der Bundesregierung. ESYS reagierte darauf mit dem Impuls Kohlenstoffmanagement integriert denken: Anforderungen an eine Gesamtstrategie aus CCS, CCU und CDR. Die Publikation zeigt: Die drei Bausteine des Kohlenstoffmanagements – CO₂-Abscheidung und -Speicherung, CO₂-Nutzung und CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre – überschneiden sich, was die benötigten Technologien und Infrastrukturen angeht. Dies kann zu Synergieeffekten führen, jedoch auch Nutzungskonflikte schüren. Alle drei Bereiche müssen deshalb von Anfang an zusammen gedacht und aufeinander abgestimmt reguliert werden.

Wie genau sich Kohlenstoffdioxid nutzen lässt, beleuchtete ESYS mit dem Impuls CO₂ als Rohstoff. Baustein einer klimaneutralen Kohlenstoffwirtschaft. Das Fazit: Die chemische Industrie kann CO₂ für verschiedene Produkte als alternative Kohlenstoffquelle nutzen – die CO₂-Nutzung wird daher voraussichtlich notwendig sein. Sie hat jedoch einen hohen Energiebedarf und verringert die Treibhausgasemissionen nicht in jedem Fall – hier gilt es, genau hinzuschauen.

Grundlastkraftwerke  – nötig für das deutsche Energiesystem?

Grundlastkraftwerke waren bislang eine wichtige Säule der deutschen Energieversorgung, schließlich können sie ununterbrochen Energie liefern. Auf der anderen Seite müssen sie wegen ihrer hohen Investitionskosten jedoch fast durchgehend laufen, um sich zu amortisieren. Welche Bedeutung haben sie für ein treibhausgasneutrales Energiesystem? Diese Frage steht im Mittelpunkt des ESYS-Impulses Kernspaltung, Erdgas, Geothermie, Kernfusion: Welche Rolle spielen Grundlastkraftwerke in Zukunft?, der auf detaillierten Modellrechnungen des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI aufbaut. Der Impuls zeigt: Eine zuverlässige Energieversorgung ist auch ohne Grundlastkraftwerke möglich. Dazu müssen Solar- und Windenergie mit Speichern versehen sowie mit Residuallastkraftwerken kombiniert werden, die bei Bedarf hochgefahren werden können. Auch muss der Stromverbrauch flexibler werden. Da der Ausbau erneuerbarer Energien in jedem Fall stattfinden muss, verändern Grundlastkraftwerke die Gesamtkosten der Energiewende nicht wesentlich. Allerdings könnten treibhausgasarme Grundlasttechnologien wie Kernkraftwerke, Erdgaskraftwerke mit CO₂-Abscheidung und Kernfusionskraftwerke in ein Energiesystem integriert werden, das von Erneuerbaren dominiert wird. So ließen sich beispielsweise Wasserstoffimporte reduzieren. Sinnvoll ist das vor allem dann, falls sie wirtschaftlicher sind als ihre Alternativen. Neue Grundlastkraftwerke sind aufgrund ihrer langen Bau- und Nutzungszeiten jedoch lediglich langfristig eine Option.

Kernfusion: Wie gelingt der Transfer vom Labor in die Wirtschaft?

Steht mit der Kernfusion eines Tages eine klimafreundliche und kontinuierlich verfügbare Energiequelle zur Verfügung – eine Energiequelle, die nur wenig Fläche braucht und deren Brennstoffe sich vor Ort herstellen lassen? Forschungserfolge der letzten Jahre haben diese Hoffnung gestärkt. Doch wie ist der aktuelle Stand der Fusionsforschung tatsächlich? Welche Herausforderungen stehen einem Kraftwerksbetrieb bislang entgegen und welche Chancen bietet die Technologie perspektivisch?

Im ESYS-Impuls Kernfusion als Baustein einer klimaneutralen Energieversorgung? Chancen, Herausforderungen, Zeithorizonte wird klar: Auch wenn die physikalischen Prozesse hinter der Kernfusion größtenteils verstanden sind, sind erste Kraftwerke nicht vor 2045 zu erwarten – sie können den Ausbau erneuerbarer Energien bis dahin also nicht ersetzen. Langfristig allerdings könnten die Kraftwerke zu einer klimafreundlichen Energieversorgung beitragen. Das ESYS–Kurz erklärt! Ist Kernfusion eine Energiequelle der Zukunft? liefert zudem einen Überblick für Interessierte, die sich bisher noch wenig mit dem Thema befasst haben.

Wie die Entwicklung der Kernfusionsforschung und ihr Übergang in die Anwendung in Deutschland politisch unterstützt werden können, untersucht der acatech IMPULS Kernfusion Made in Germany. Handlungsoptionen für den Aufbau eines Innovationsökosystems Kernfusion. So sollte die Grundlagenforschung von öffentlicher Hand technologieoffen gefördert werden, zudem gilt es, private und internationale Partner mit an Bord zu holen. Auch bei der Regulierung der Technologie ist es wichtig, international an einem Strang zu ziehen und Innovationshemmnisse abzubauen. Sinnvoll wäre es zudem, eine Fusions-Roadmap auf Basis zweier Ziele zu erstellen: Zunächst dem Bau eines Kraftwerksprototyps, der in einer realistischen Betriebsumgebung ans Stromnetz angeschlossen wird, und anschließend dem Bau eines Kraftwerks, das sich ohne Subventionen selbst trägt.

Geothermische Technologien in Ballungsräumen: Wird die Wärmewende in der Stadt entschieden?

Mehr als die Hälfte der verbrauchten Energie fließt in Deutschland in die Wärmeversorgung – nur ein Sechstel davon stammt aus Erneuerbaren Energien. Baut man die CO₂-neutrale Wärmeversorgung aus, eröffnet sich damit ein enormes Potenzial für die Wärme- und Energiewende. Vielversprechend insbesondere für städtische Ballungsräume sind geothermische Technologien, schließlich verbinden sie Klimaschutz mit mehr Unabhängigkeit in der Wärmeversorgung. Die acatech STUDIE Geothermische Technologien in Ballungsräumen. Ein Beitrag zur Wärmewende und zum Klimaschutz analysiert, wie sich das Potenzial der Geothermie realistisch nutzen lässt und wie sie einen Beitrag von 20 Prozent zum gesamten deutschen Wärmemarkt leisten kann.

Ballungsräume eignen sich besonders für geothermische Wärmeversorgung

Die 81 deutschen Großstädte und Metropolregionen sind für geothermische Technologien quasi wie geschaffen: Hier treffen hohe Energiebedarfe und große Abnahmedichte – also die Dichte der beheizten Häuser und Wohnungen – aufeinander. Zudem ist die nötige Infrastruktur vorhanden, um große Energiemengeneinzuspeisen. Und nicht zuletzt nehmen die Anlagen in dicht besiedelten Gebieten wenig Platz in Anspruch und verursachen wenig Emissionen.

Ballungsräume sind ein ideales Einsatzgebiet, insbesondere für mitteltiefe bis tiefe hydrothermale Geothermie. Damit kann auf kleiner Fläche ausreichend Wärme bereitgestellt werden. Zudem eignet sich Geothermie dank ihrer Speicherkapazitäten zur klimaneutralen Kälteversorgung, was angesichts des voranschreitenden Klimawandels in urbanen Räumen von wachsender Bedeutung sein wird.

Rolf Emmermann, Studienleiter und acatech Mitglied

Was die Leistungsfähigkeit und den wirtschaftlichen Einsatz der Geothermie angeht, so haben neue technologische Entwicklungen diese in den vergangenen Jahren stark verbessert Die Technologie ist daher auch für Industriezweige wie die Lebensmittel- oder die Chemiebranche relevant. Auch die Qualität und die Verfügbarkeit von Daten, die Aufschluss über die Bodenstrukturen geben, machte einen Sprung nach oben. Die vorhandenen Informationen schaffen Klarheit für neue geothermische Anlagen und erhöhen die Planungssicherheit ebenso wie die Wirtschaftlichkeit.

Vom Ausbau der Geothermie kann der Technologie- und Wirtschaftsstandort Deutschland mehrfach profitieren. Die Versorgungssicherheit mit klimaneutral gewonnener Wärme aus heimischen Ressourcen wächst und erhöht die Resilienz auf dem Wärmemarkt.

Jan Wörner, acatech Präsident

Großraum München schreitet bei geothermischer Wärmeversorgung voran

Wie geothermische Technologien zur Wärme- und auch Kälteversorgung in unterschiedlichen Stockwerken eingesetzt werden können, lässt sich am Beispiel München bereits verfolgen. Bis 2040 will die bayerische Landeshauptstadt die Fernwärme durch hydrothermale tiefe Geothermie beziehen – vollständig CO₂-neutral, versteht sich.

Der Weg zur nationalen Geothermie-Strategie

Welche Voraussetzungen Ballungsräume erfüllen müssen, um die Geothermie auszubauen, und welche Handlungsoptionen sie haben, zeigt die genannte acatech STUDIE ebenfalls. Es gilt nicht nur, die Wärmeversorgungstrategisch zu planen, auch sollten die CO₂-Bepreisung sowie öffentliche Programme zur Erkundung lokaler Potenziale im Blick behalten werden. Eine staatliche Risikoabsicherung kann Anreize für private und kommunale Investoren schaffen, eine transparente Einbindung der Öffentlichkeit die Akzeptanz für neue geothermische Technologien stärken.

Bauen und Wohnen: Wie kann Wohnen wieder bezahlbar werden?

Bezahlbares Wohnen zählt zu den drängendsten Herausforderungen unserer Gesellschaft: In Deutschland fehlen einer Studie des Pestel-Instituts zufolge rund 550.000 Wohnungen (Stand Februar 2025), mehr als elf Prozent der Bevölkerung lebten laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2024 auf zu engem Raum. Zudem gehen rund 40 Prozent der energie- und herstellungsbedingten CO₂-Emissionen auf den Gebäudesektor zurück – auch über ein Drittel der globalen Energie-Nachfrage entsteht rund ums Wohnen, wie das United Nations Environment Programme (UNEP) beschreibt. Sollen Ressourcen geschont und der Klimawandel bekämpft werden, muss der Bausektor daher grundlegend neu ausgerichtet werden. Darüber hinaus ist es nötig, Städte klimaresilient zu gestalten und an veränderte Wohn- und Lebensformen anzupassen.

Genau hier setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und von acatech koordinierte Projekt Bauen & Wohnen: Plattform für Vernetzung, Synthese und Transfer an: Rund 60 Expertinnen und Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft erarbeiten Impulse für die Transformation des Gebäudesektors. Welche Hürden erschweren den Bau von bezahlbarem Wohnraum? Und wie lässt sich der Gebäudebestand im urbanen Raum durch Aufstockung, Umnutzung und Nachverdichtung nachhaltig entwickeln? In drei interdisziplinären Arbeitsgruppen wurden relevante Themen gesammelt und priorisiert, zu denen im weiteren Verlauf des Projekts konkrete Lösungsansätze entwickelt werden:

• Die Gruppe „Baustoffe, Konstruktion und Energie“ widmet sich den anerkannten Regeln der Technik sowie modularem und seriellem Bauen. Auch Anreize für Aufstockung, Anbau und Umnutzung sowie die Förderung der Akzeptanz gehören zu den Themen.
• Bei der Arbeitsgruppe „Stadt- und Quartiersentwicklung“ steht gemeinwohlorientiertes Bauen in der Nachverdichtung auf der Agenda, Ressourcenaktivierung und Intelligente Umbaulösungen werden ebenfalls dort diskutiert.
• Die Lösungsansätze, die in den beiden Gremien entwickelt werden, betrachtet die Gruppe „Transformation und Umsetzungsstrategien“: Sind sie skalierbar, lassen sie sich umsetzen und bieten sie ökonomisches Potenzial?

Im Jahr 2025 werden die von den Arbeitsgruppen erarbeiteten Lösungsansätze in Gruppendelphis vorgestellt und weitergedacht. Bürgerräte diskutieren die Empfehlungen – dabei haben sie insbesondere mögliche Zielkonflikte und die Akzeptanz der Bevölkerung im Blick. Auf der Plattform-Website, die Anfang 2025 online gegangen ist, wird eine digitale Landkarte vorhandene Reallabore innerhalb Deutschlands zeigen, die sich in das Projektthema einfügen. Die Ergebnisse werden in praxisnahen Handlungsoptionen für Politik, Wirtschaft und Gesellschaft in unterschiedlichen Publikationsformaten veröffentlicht.

Bezahlbares Wohnen ist eine zentrale Herausforderung unserer Gesellschaft. Der Fokus unserer Plattform liegt auf dem Bestand, da in den Möglichkeiten von Umnutzung, Aufstockung und Nachverdichtung enormes Potenzial steckt. So lässt sich Wohnraum schaffen und gleichzeitig werden Ressourcen geschont. Das Ziel ist, bezahlbaren und lebenswerten Wohnraum zu ermöglichen und attraktiv zu gestalten, und unsere Städte zukunftsfähig zu gestalten!

Jan Wörner, Projektleiter Bauen & Wohnen: Plattform für Vernetzung, Synthese und Transfer und acatech Präsident