100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜR STROM UND WÄRME IN … · Insgesamt ist KWK auf Grund der Kopplung...

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100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜR STROM UND WÄRME IN DEUTSCHLAND

Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Fachtung „Die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung in der zukünftigen Energieversorgung 21. März 2013 Solar-Info-Center Freiburg www.ise.fraunhofer.de

Agenda

Einführung

Methodik

Ergebnisse

Agenda

Einführung

Methodik

Ergebnisse

Einführung 1/2

Leitfragen

Ist es möglich, den Energiebedarf Deutschlands mit 100% EE zu decken?

Falls ja: wie sehen optimale, konsistente Systeme aus?

Wie hoch sind die Kosten?

Langfrist-Perspektive, volkswirtschaftliche Betrachtung

Vorgehen

Umfassendes Energie-Modell für Strom und Wärme (Heizung, Warmwasser)

umfasst Elektrizitätssektor und Gebäudesektor (Wohnungs- und Nichtwohnungsbau) einschließlich energetische Gebäudesanierung

Nur inländische EE

Einführung 2/2

Nicht einbezogen

Mobilität, die heute auf fossilen Brennstoffen basiert

Industrie-Prozesse, die heute auf fossilen Brennstoffen basieren

Der im Modell abgebildete Anteil des Energiesystems umfasst damit 62 % des heutigen Primärenergiebedarfs

Agenda

Einführung

Methodik

Ergebnisse

Struktur Energiesystem

heat load, total

electrical heat pump

solar heat

micro-CHP

solar heat

gasheat pump

solar heat

biomass

power-to-gas

battery storage

methane storage

combined cycle gas turbine

pumped storage power

CHP central

photovoltaic

windonshore

windoffshore

hydropower

import electricity

excess heat

heat stor-age

heat loadgas-HP + solar

heat load micro CHP +

heat stor-age

fossilsolar heat

central

heat loadel. HP + solar

heat stor-age

heat stoarge, central

heat load CHP + solar, central

excess electricity

export electricity

electrical load

Wandler erneuerbarer Energien

heat load, total

solar heat

micro-CHP

solar heat

gasheat pump

solar heat

biomass

power-to-gas

battery storage

methane storage

CHP central

photovoltaic

windonshore

windoffshore

hydropower

import electricity

excess heat

heat stor-age

fossilsolar heat

central

heat stor-age

excess electricity

export electricity

electrical load

Photovoltaik

Onshore Wind

Offshore Wind

Wasserkraft Solarthermie - zentral

Solarthermie - dezentral

Biomasse

Lasten

heat load, total

solar heat

micro-CHP

solar heat

gasheat pump

solar heat

biomass

power-to-gas

battery storage

methane storage

CHP central

photovoltaic

windonshore

windoffshore

hydropower

import electricity

excess heat

heat stor-age

fossilsolar heat

central

heat stor-age

excess electricity

export electricity

electrical load

Stromlasten

Wärmelasten in Wohn- und Nichtwohngebäuden: Heizung und Warmwasser

Energiewandler

heat load, total

solar heat

micro-CHP

solar heat

gasheat pump

solar heat

biomass

power-to-gas

battery storage

methane storage

CHP central

photovoltaic

windonshore

windoffshore

hydropower

import electricity

excess heat

heat stor-age

fossilsolar heat

central

heat stor-age

excess electricity

export electricity

electrical load

Gas to power – GuD-Kombikraftwerke

Gas to power + heat – große KWK

Gas to power + heat – Klein-KWK

Power to heat – elektrische Wärmepumpe

Gas to heat – Gas-wärmepumpe

Speicher

heat load, total

solar heat

micro-CHP

solar heat

gasheat pump

solar heat

biomass

power-to-gas

battery storage

methane storage

CHP central

photovoltaic

windonshore

windoffshore

hydropower

import electricity

excess heat

heat stor-age

fossilsolar heat

central

heat stor-age

excess electricity

export electricity

electrical load

Batterien

Pumpspeicher-kraftwerke

Große Wärmespeicher (Quartiersebene)

Wärmepufferspeicher in Gebäuden

Power-to-Gas Wandler und Gasspeicherung

Modell und Modellannahmen

Jahresmodell auf Stundenbasis

Profile mit Stundenwerten von 2011

Stromerzeugung durch Wind, PV und Wasserkraft

Strombedarf und Energiebedarf für Heizung

Biomasse: 50 TWh fix für Strom und Wärme (Gesamtwert Biomasse einschl. Abfälle und Deponiegas in Deutschland 2010: >300 TWh)

Jahreswerte Endenergiebedarf

Strombedarf: 500 TWh (ohne Heizung und Warmwasser) konstant bzw. Absenkung auf 350 TWh

Heutiger Heizwärmebedarf von 781 TWh (Endenergie): energetische Sanierung von Gebäuden Bestandteil der Modellierung

Heutiger Warmwasserbedarf 105 TWh: wird als konstant angenommen

Optimierung

Bestimmung der optimalen Größe und Zusammensetzung aller Wandler und Speicher einschließlich energetischer Sanierung von Gebäuden unter Berücksichtigung technischer Potenziale

Optimal: minimale jährliche Gesamtkosten (Invest, Finanzierungen, Wartung/Betrieb)

Kosten für Komponenten: Kosten „weit unten“ auf Lernkurve, d.h. Werte die nach langjähriger FuE und breiter Markteinführung erreicht werden (industrielle Herstellung, Skaleneffekte) *

* Quelle für die meisten Kostenwerte: International Energy Agency (IEA) (Ed.), Energy technology perspectives 2010. Scenarios & strategies to 2050 (bzw. teilweise neuere Ergebnisse mit Energy technology perspectives, Ausgabe 2012)

Agenda

Einführung

Methodik

Ergebnisse

Eine 100-%-Versorgung mit EE ist möglich

System „Medium“ (siehe nächste Folie)

Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten

Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010

Installierte Leistung EE in GW

Wind-Off Wind-On PV

180 GW

202 GW

262 GW 200 GW

170 GW

Installierte Leistung EE in GW

Jährl. Gesamtkosten in Mrd. €

Wind-Off Wind-On PV

180 GW

202 GW

262 GW 200 GW

170 GW

Wichtigste Ergebnisse bezogen auf KWK

Mini-KWK fällt durchgängig bei Optimierung raus

Ungünstige Kosten-Performance

Zentrale KWK spielt eine Rolle, allerdings nicht als dominante Technologie für komplementäre Stromerzeugung zu fluktuiernder EE

Große Wärmespeicher spielen eine wichtige Rolle, auch zur Verwertung von Stromüberschüssen, die nicht anderweitig nutzbar sind

Anteilige Nutzung fossiler Energie Optimierung für fixe Menge fossiler Energie

Menge genutzter foss iler Energie, TWh

EE Anteil

91 % 82 % 73 %

Optimierung für fixe Menge fossiler Energie

EE Anteil

Anteilige Nutzung fossiler Energie

91 % 82 % 73 %

Optimierung für fixe Menge fossiler Energie

EE Anteil

Anteilige Nutzung fossiler Energie

Erweiterung zentrale Kraftwärmekopplung um Wärmepumpe

Wärmenetze mit

GuD-KWK

Solarthermie

Gebäude

WP zentral

W-Speicher

KWK-GuD

Beispielergebnisse KWK

Stromverbrauch fix 350 TWh/a

Günstigstes System bei Optimierung aller Größen: 93.6 Mrd. €

Installierte Windleistung fix 140 GW onshore und 50 GW offshore

Energetische Sanierung Gebäude fix auf 50 % Heizwärme 2010

Anteilelektr. Leistung

Wärme-

leistung WPAnteil

elektr.

Leistung

elektr.

Leistung

% Geb.-

BestandGW GW

% dezentrale

WärmeGW GW Mrd. €

15% 47.2 24.9 0% 0.0 25.0 100.1

15% 47.2 29.4 10% 10.8 10.6 105.0

25% 78.7 48.9 0% 0.0 0.0 105.2

25% 78.7 48.1 10% 9.5 0.0 109.3

Wärmenetze mit zentraler KWK Dezentrale KWKJahres-kosten

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Methodik

Ergebnisse

Fragen

Die wichtigsten Hemmnisse für die KWK?

1. Zukünftig vergleichsweise wenig Nutzungsstunden

2. Bei Strom-geführtem Betrieb Notwendigkeit zeitgleicher nutzbringender Wärmeverwendung, um hohe Gesamteffizienz aufzuweisen

3. Notwendigkeit der Wärmelieferung bei entsprechendem Wärmebedarf auch dann, wenn kein Strom benötigt wird wegen hoher Produktion durch fluktuierende EE (siehe Beispiel Fernwärme Leipzig diesen Winter)

4. Niedrigere Stromausbeute als hocheffiziente GuD

5. Insgesamt ist KWK auf Grund der Kopplung von Strom und Wärme nicht so flexibel wie getrennte Erzeugung, Flexibilisierung ist jedoch zentrale Notwendigkeit

Die wichtigsten Maßnahmen um den KWK- Anteil zu erhöhen?

1. Vergütung von Systemdienstleistung (Bereitstellung von Regelenergie, z.B. Kapazitätsmarkt)

2. Ausreichend große Wärmespeicher, insbesondere bei Anlagen im Verbund mit Wärmenetzen

3. Installation von Wärmenetz-gebundenen Wärmepumpen (siehe Dänemark)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…

Hans-Martin Henning www.ise.fraunhofer.de Hans-martin.henning@ise.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE

100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜR STROM UND WÄRME IN … · Insgesamt ist KWK auf Grund der Kopplung...

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