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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
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Agenda
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Fazit
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Agenda
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Fazit
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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
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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
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Agenda
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Fazit
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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
plant
CHP central
photovoltaic
windonshore
windoffshore
hydropower
import electricity
excess heat
heat stor-age
heat loadgas-HP + solar
heat load micro CHP +
solar
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
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Wandler erneuerbarer Energien
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
plant
CHP central
photovoltaic
windonshore
windoffshore
hydropower
import electricity
excess heat
heat stor-age
heat loadgas-HP + solar
heat load micro CHP +
solar
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
Photovoltaik
Onshore Wind
Offshore Wind
Wasserkraft Solarthermie - zentral
Solarthermie - dezentral
Biomasse
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Lasten
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
plant
CHP central
photovoltaic
windonshore
windoffshore
hydropower
import electricity
excess heat
heat stor-age
heat loadgas-HP + solar
heat load micro CHP +
solar
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
Stromlasten
Wärmelasten in Wohn- und Nichtwohngebäuden: Heizung und Warmwasser
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Energiewandler
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
plant
CHP central
photovoltaic
windonshore
windoffshore
hydropower
import electricity
excess heat
heat stor-age
heat loadgas-HP + solar
heat load micro CHP +
solar
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
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
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Speicher
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
plant
CHP central
photovoltaic
windonshore
windoffshore
hydropower
import electricity
excess heat
heat stor-age
heat loadgas-HP + solar
heat load micro CHP +
solar
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
Batterien
Pumpspeicher-kraftwerke
Große Wärmespeicher (Quartiersebene)
Wärmepufferspeicher in Gebäuden
Power-to-Gas Wandler und Gasspeicherung
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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
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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)
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Agenda
Einführung
Methodik
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Eine 100-%-Versorgung mit EE ist möglich
System „Medium“ (siehe nächste Folie)
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Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten
Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010
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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
170 GW
85 GW
85 GW
75 GW
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Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten
Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010
Installierte Leistung EE in GW
Jährl. Gesamtkosten in Mrd. €
Wind-Off Wind-On PV
180 GW
202 GW
262 GW 200 GW
170 GW
170 GW
85 GW
85 GW
75 GW
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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
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Anteilige Nutzung fossiler Energie Optimierung für fixe Menge fossiler Energie
Menge genutzter foss iler Energie, TWh
Inst
all
iert
e G
röß
e,
GW
bzw
. G
Wh
EE Anteil
91 % 82 % 73 %
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91 % 82 % 73 %
Optimierung für fixe Menge fossiler Energie
Menge genutzter foss iler Energie, TWh
Inst
all
iert
e G
röß
e,
GW
bzw
. G
Wh
EE Anteil
Anteilige Nutzung fossiler Energie
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91 % 82 % 73 %
Optimierung für fixe Menge fossiler Energie
Menge genutzter foss iler Energie, TWh
Inst
all
iert
e G
röß
e,
GW
bzw
. G
Wh
EE Anteil
Anteilige Nutzung fossiler Energie
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Erweiterung zentrale Kraftwärmekopplung um Wärmepumpe
Wärmenetze mit
GuD-KWK
Solarthermie
Gebäude
WP zentral
W-Speicher
KWK-GuD
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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
GuD
Anteilelektr. Leistung
KWK
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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Agenda
Einführung
Methodik
Ergebnisse
Fazit
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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)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…
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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE
