Wie könnte ein klimaneutrales deutsches Energiesystem im Jahr 2045 aussehen?

2026-11-02

Überblick

Die Energiewende mit dem Umstieg von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energien ist in Deutschland im vollem Gange. Das Klimaschutzgesetz schreibt vor, dass die Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 erreicht werden muss. Doch wie kann ein zuverlässiges Energiesystem aussehen, dass maßgeblich auf wetterabhängigen erneuerbaren Energiequellen basiert?

Genau mit dieser Frage hat sich die Studie „Kostenoptimale Transformation des deutschen Energiesystems bis 2045“ des Frauenhofer ISE auseinandergesetzt. Die Studie wurde im Auftrag der Veranstalter der Messe „The smarter E Europe“ durchgeführt und im Juni 2026 veröffentlicht. Die Forschenden haben dafür ein Modell gebaut, dass als Randbedingung die Einhaltung des CO₂-Budgets aus dem Klimaschutzgesetz vorsieht. Innerhalb dieser Grenze, werden alle Erzeuger und Verbraucher zu minimalen Kosten so zusammengesetzt, dass die Energiebilanz zu jedem Zeitpunkt erfüllt ist. Energiebilanz bedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt gleich viel elektrische Energie erzeugt, wie verbraucht werden muss, da ansonsten das Netz instabil und im schlimmsten Fall zusammenbrechen kann.

Wandel des Energiesystems

Im Jahr 2025 generierten erneuerbare Energien bereits 62 % der in Deutschland produzierten elektrischen Energie↗. Bei der Betrachtung des Energiesystems darf aber nicht nur der Stromsektor betrachtet werden, sondern es müssen auch andere Sektoren wie Gebäude und Verkehr berücksichtigt werden. In der Studie wird dies mit Sankey-Diagrammen↗ gemacht. Dabei wird die Energie mit Hilfe von Primärenergie, Sekundärenergie und Endenergie dargestellt.

Primärenergie ist die in noch nicht weiterverarbeitete Energieträgern enthaltene Energie. Das können etwa Erdöl, Kohle oder Wind und Sonnenenergie sein.
Wird Primärenergie in eine andere Energieform umgewandelt, spricht man von Sekundärenergie. Beispielsweise wandeln Windkraftanlagen Windenergie in elektrische Energien um und in Raffinerien wird aus Erdöl Benzin und Diesel.
Die Energieform, die in tatsächlich eingesetzt wird, nennt man Endenergie. Die Endenergie eines Elektroherds ist Strom, die eines Gasherds Erdgas.

In einem Energiesystem wird Energie mehrmals von Primärenergie über Sekundärenergie in Nutzenergie umgewandelt. Bei jedem Umwandlungsprozess entstehen Verluste in Form von Wärme, die nicht genutzt werden kann. Diese Umwandlungsprozesse werden im Sankey-Diagramm mit Hilfe von unterschiedlich dicken Flüsse dargestellt. Je dicker der Fluss, desto größer ist der Anteil der Energie, die in eine bestimmte Weise umgewandelt.

Betrachtet man nicht nur die elektrische Energie sondern das gesamte Energiesystem, erkennt man, dass fossile Energieträger den größten Teil der Primärenergien ausmachen. Im Jahr 2025 deckten erneuerbare Energien ein gutes Fünftel des deutschen Primärenergieverbrauchs. Ein Teil der fossilen Energien wird in Strom umgewandelt, der größere Teil wird aber in Form von Erdgas und Flüssigkraftstoffen direkt in Gebäuden, Industrie und Verkehr verbraucht.

Energieflüsse im deutschen Energiesystem im Jahr 2025
[Senkpiel, C., Kost, C. „Kostenoptimale Transformation des deutschen Energiesystems bis 2045“, 2026, Fraunhofer ISE]

Im modellierten Energiesystem des Jahres 2035 ist der fossile Primärenergiebedarf deutlich geschrumpft. Dafür sind insbesondere die Primärenergien Wind und Solar gewachsen. Sie werden in Strom umgewandelt, der in allen Sektoren die fossile Endenergie verdrängt.

Modellierte Energieflüsse im deutschen Energiesystem im Jahr 2035
[Senkpiel, C., Kost, C. „Kostenoptimale Transformation des deutschen Energiesystems bis 2045“, 2026, Fraunhofer ISE]

Fossile Primärenergien sind im modellierten Energiesystem 2045 fast vollständig verschwunden. Dafür sind Strom und Wind, aber auch Biomasse weiter gewachsen. Die Endenergie in den Sektoren Gebäude, Industrie & Rohstoff, sowie Verkehr besteht überwiegend aus Strom. Als weitere Primärenergiequelle gewinnen erstmals die importierten Energieträger Wasserstoff und synthetische Energieträger an Bedeutung. Diese werden entweder direkt in der Industrie verwendet oder in Phasen geringer Wind- und Solarenergieerzeugung in Strom umgewandelt. Im Jahr 2045 wird aber auch in größerem Umfang Umweltwärme verwendet. Dies ist auf den vermehrten Einsatz von Wärmepumpen zurückzuführen, die der Umgebung Wärme entziehen, um dadurch Gebäude zu heizen und Prozesswärme in der Industrie bereitzustellen.

Modellierte Energieflüsse im deutschen Energiesystem im Jahr 2045
[Senkpiel, C., Kost, C. „Kostenoptimale Transformation des deutschen Energiesystems bis 2045“, 2026, Fraunhofer ISE]

Entwicklung der Stromerzeugungstechnologien

Wie die Sankey-Diagrmme vermuten lassen, muss die Stromerzeugung ausgebaut werden, um die erhöhte Stromnachfrage der Zukunft befrieden zu können. Diese Vermutung bestätigt nachfolgende Abbildung. Den größten Teil des Anstiegs der Stromerzeugung tragen Wind und Solar. Die installierte Leistung von Windkraft steigt von 79 GW im Jahr 2025 auf 308 GW im Jahr 2045 und die von Photovoltaik von 108 GWp auf 470 GWp. Alle Kohlekraftwerke werden bis 2035 abgeschaltet, sodass ab diesem Zeitpunkt Erdgas der einzige verbliebene fossile Energieträger in der Stromproduktion ist.

Gaskraftwerke sind weiterhin erforderlich für Zeiten geringer Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie. Die Gaskraftwerke werden ausgehend vom heutigen Niveau zunächst etwas ausgebaut. Etwa ab dem Jahr 2040 werden sie zunehmend mit Wasserstoff, Biogas und Synthesegas, also künstlich erzeugtem Gas, betrieben, sodass auch die Stromproduktion aus Gaskraftwerken im Jahr 2045 klimaneutral sein wird.

Modellierte Entwicklung der installierten Leistung der Stromerzeugungstechnologien
[Senkpiel, C., Kost, C. „Kostenoptimale Transformation des deutschen Energiesystems bis 2045“, 2026, Fraunhofer ISE]

Zuverlässigkeit

Die Stromproduktion aus Wind und Sonnenenergie hängt vom Wetter ab. Das führt zur Frage, wie in Zukunft eine zuverlässige Energieversorgung gewährleistet werden kann. Das zukünftige Energiesystem setzt stark auf diese beiden Primärenergiequellen. Für Industrieländer wie Deutschland ist es inakzeptabel, dass in Zeiten geringen Sonnenscheins und schwachen Windes der Strom ausfällt. Diese Phasen werden in der öffentlichen Debatte Dunkelflaute genannt und können bis zu drei Wochen andauern. Ein Energiesystem muss also auch diese Phasen überbrücken können.

Indem sie Stromerzeugung und -verbrauch mit der Wettersituation Dunkelflaute simulierten, wiesen die Studienautor/innen nach, dass das modellierte Stromsystem im Jahr 2045 in der Lage ist solche Dunkelflauten zu überbrücken. Das Model war in der Lage auch in dieser Situation zu jeder Zeit den erforderlichen Strom bereitzustellen, in dem eine Reihe verschiedener Effekte und Maßnahmen griffen:

Erneuerbare Energien: Auch wenn der Himmel bedeckt ist und der Wind nur schwach weht erzeugen Photovoltaikanlagen und Windkraftwerke Strom – nur deutlich weniger als üblich. Aber bei einer installierten Leistung von 308 GW Wind und 470 GWp Photovoltaik summiert sich die Produktion dieser Anlagen, sodass Wind und Solar auch bei Dunkelflauten einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten. Alleine schaffen es die beiden Quellen aber nicht die benötigte Leistung bereitzustellen.
Das deutsche Stromnetz ist Teil des europäischen Verbundnetzes und mit den Stromnetzen von Deutschlands Nachbarstaaten verbunden. Es ist unwahrscheinlich, dass in ganz Europa gleichzeitig eine Strommangelsituation auftritt. Daher können sich die europäischen Länder gegenseitig helfen und im Falle einer Dunkelflaute Strom aus dem Ausland importiert.
Pumpspeicherkraftwerke und Batteriespeicher können bei viel Stromproduktion Energie speichern und diese für kurze Zeit bereitstellen.
Bei lange andauernden Strommangelsituationen, die nicht mit Batteriespeicher überbrückt werden können, springen Gaskraftwerke ein. Diese werden mit Wasserstoff, Biogas oder Synthesegas betrieben.
In Zeiten von hoher Stromproduktion werden Power-to-X-Anlagen betrieben, die mit Hilfe von Strom chemische Energieträger wie beispielsweise Wasserstoff erzeugen. Bei Dunkelflauten, werden diese Anlagen abgeschaltet und reduzieren damit die Last.
Ebenso können gewisse Stromverbräuche in Industrie, Gebäude und Verkehr zeitlich verschoben werden und damit eine Lastreduktion erwirkt werden. Beispielsweise ist eine Batterie in einem Elektrofahrzeug ausreichend groß, um mehrere Tage bei normaler Nutzung ohne Aufladen überbrücken zu können. Das Laden kann in Zeiten hoher Stromproduktion verschoben werden.

Kosten der Energiewende

Der Umbau des Energiesystems ist mit hohen Investitionen verbunden. Aber nur ein Teil dieser Investitionen sind Mehrinvestitionen. Große Teil sind Ersatzinvestitionen, die ohnehin anfallen würden, beispielsweise wenn ein Elektrofahrzeug anstatt eines Fahrzeug mit Verbrennungsmotor angeschafft wird.

In der Studie wird der über einen Zeitraum von 25 Jahre gemittelte finanzielle Mehraufwand zur Transformation des Energiesystems auf 54 Mrd. € pro Jahr geschätzt. Damit ergeben sich CO₂-Vermeidungskosten für die Transformation des deutschen Energiesystems von 210 €/t CO₂. Durch die Reduktion der Treibhausgasemissionen werden aber auch Klimafolgekosten reduziert. Diese beziffert das Umweltbundesamt↗ auf 300 €/t CO₂, bei stärkerer Gewichtung des Wohlergehens gegenwärtiger Generationen und 880 €/t CO₂ bei gleicher Gewichtung des Wohlergehens zukünftiger Generationen. Das heißt, die Investitionen in ein klimaneutrales Energiesystem werden durch die verminderten Klimafolgekosten mehr als kompensiert.

Durch die Transformation ergeben sich weitere wirtschaftliche Vorteile:

Bei der Verbrennung fossiler Energien werden Luftschadstoffe freigesetzt, die Gesundheitsschäden zur Folge haben. Durch die Elektrifizierung wird die Luftverschmutzung reduziert und damit auch Gesundheitsschäden und deren volkswirtschaftlichen Kosten.
Da Deutschland kaum eigene fossile Rohstoffe hat, müssen diese zum größten Teil importiert werden. Dies macht Deutschland anfällig für Störungen in der Lieferkette, wie wir sie jüngst durch die Schließung der Straße von Homus erlebt haben. Durch die Energietransformation werden diese Importabhängigkeiten und Lieferkettenrisiken reduziert.
Die Energiewende schafft viele zusätzliche Arbeitsplätze.

Fazit

Die Autor/innen zeigen, dass ein zeitnaher klimaneutraler Umbau des deutschen Energiesystems technisch möglich ist. Die Kosten dieser Transformation werden durch die Vorteile mehr als kompensiert. Klimaneutralität ist nicht eine Frage der Machbarkeit, sondern des politischen Gestaltungswillens.

Die Studie kann auf der Webseite der Intersolar↗ heruntergeladen werden.