Umwelttechnik. Entwicklungstendenzen von Technologien der Energieversorgung

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1 Umwelttechnik Entwicklungstendenzen von Technologien der Energieversorgung Quelle: VDE-Studie Smart Distribution, Juli Hochschule Lausitz, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik Prof. Dr.- Ing. Kathrin Lehmann Vorlesung Bachelor-SG WI-E Quelle: ETG-Studie Energiespeicher, Dez Umwelttechnik Folie 1

2 Start in die Vorlesung (LR) Stromnetze trotzen der Kälte Kein Windchen bläst, die Sonne streikt und es ist eiskalt ein Szenarium für den Stromausfall. Doch mitten im kalten Winter werden die Unkenrufer eines Besseren belehrt: Das Netz ist bislang stabil (LR) Windstrom in Elbe-Elster gelangt nicht ins Netz Der Ausbau der Stromnetze hält mit dem Zuwachs an erneuerbarer Energie nicht Schritt. Die Elbe-Elster-Region wird deshalb immer mehr zum Risikogebiet. Windparks werden gebremst, um einen Leitungskollaps zu verhindern (LR) Der deutschen Energiewende fehlt das rettende Netz Die Sofortabschaltung von acht alten Atomkraftwerken und der komplette Ausstieg aus der Kernenergie bis 2022, das ist der Kern der Energiewende, die die Bundesregierung vergangenen Frühsommer nach dem Unglück von Fukushima beschlossen hat. Zu den Vorgaben gehört aber auch bis 2020 eine Verringerung des Energieverbrauchs um 20 Prozent und die Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch auf 35 Prozent (Wirtschaftswoche) Energiewende: Eiseskälte: Wie belastet sind die Kraftwerke? Die Kälte hat Deutschland fest im Griff. Und der Stromverbrauch der Deutschen steigt. Trotzdem droht jetzt kein Blackout. Derzeit exportiert Deutschland sogar Strom ins Ausland (LR) 344 Millionen Euro für Stromnetz-Ausbau Die Firma Mitnetz Strom, eine Tochter von enviam, will in diesem Jahr angesichts der geplanten Energiewende rund 344 Millionen Euro in ihrem Gebiet investieren. Ein Stück ab von diesem Kuchen an Millionen-Investitionen bekommt auch die Lausitz (LR) Zockerei mit der Stromversorgung Das deutsche Stromnetz stand in den vergangenen Tagen n ahe am Blackout. Doch nicht der Atom ausstieg war dafür verantwortlich. Sondern möglicherweise Stromhändler, die offenbar ihre Profite maximieren wollten (LR) Brennglas Lausitz: Wohin führt die Energiewende Kaum ein Thema wird so kontrovers diskutiert wie die Energiewende. Die Lausitz ist als Stromexport-Region und Vorreiter bei erneuerbarer Energie besonders betroffen. Umwelttechnik Folie 2

3 Gesetze zur Sicherung der Energiewende (1) Zieldreieck: Energiewirtschafts-Gesetz - EnWG 1. Fassung vom 18. April 1998 Novellierung zum 07. Juli Novellierung August 2011 Sicherung der Energiewende Wirtschaftlichkeit + Versorgungssicherheit + Umweltgerecht AKZEPTANZ? Liberalisierung des Energiemarktes = Wettbewerb Kunden haben freie Wahl des Stromlieferanten Handel mit Energie - Europaweit Trennung (= Unbundling) von Stromlieferung und Netz Regulierungsbehörde - BNetzA Netznutzungsentgelte Anreizregulierung Rechnungstransparenz Akt_Enpol_Fra Abschnitt 1 Folie 3

4 Gesetze zur Sicherung der Energiewende (2) Erneuerbare Energien Gesetz - EEG 1. Fassung vom 01. Mai 2000 Novellierung zum 01. August Novellierung zum Novellierung August 2011 Förderung erneuerbarer Energien wie Solarstrom, Windkraft, Geothermik, Bioenergie, Wasserkraft Deponie-, Klär- und Grubengas Entwicklung des Anteils erneuerbarer Energien ,5% ,0% (alt: 2020 = 20% bzw. 30%) Vorrang der Einspeisung Vergütung langfristig gesichert (20 Jahre) neu festgelegt, Anpassung PV -Vergütung Förderung der technischer Entwicklungen für erneuerbare Energien Umwelttechnik Folie 4

5 Erneuerbaren Energien im Energiemix Stand 07/ Anteile erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland mindestens 30,0 1) Ziele der Bundesregierung Ziele nach EU-RL 2009/28/EG [%] ,2 10,4 18,0 2) Bruttoendenergieverbrauch Anteile EE am gesamten Endenergieverbrauch (Strom, Wärme, Kraftstoffe) 4,7 16,3 Anteile EE am gesamten Stromverbrauch 3,6 8,8 14,0 1) Anteile EE an der gesamten Wärmebereitstellung 10,0 2) 5,5 0,2 Anteile EE am gesamten 3) Kraftstoffverbrauch 8,7 2,6 Anteile EE am gesamten 4) Primärenergieverbrauch 1) Quellen: Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2009) vom und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) vom ; 2) Quelle: EU-Richtlinie 2009/28/EG zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen, Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bzw. am EEV im Verkehrsbereich; 3) Der gesamte Verbrauch an Motorkraftstoff, ohne Flugbenzin; 4) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB); EE: Erneuerbare Energien; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Brigitte Hiss; Stand: Juli 2010; Angaben vorläufig Quelle: AGEE Statistik, Juli Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 5

6 Erneuerbaren Energien im Energiemix Stand 07/11 Quelle: AGEE Statistik, März 2012 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 6

7 Anteile der Erneuerbaren Energien - Endenergieverbrauch Quelle: Erfahrungsbericht 2012 zum EEG Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 7

8 Entwicklung EE-Stromerzeugung (1) Beitrag der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung in Deutschland Wasserkraft Biomasse * Windenergie Photovoltaik EEG: Januar EEG: April 2000 EEG: August 2004 [GWh] Novelle BauGB: November StromEinspG: Januar März * feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; Strom aus Geothermie aufgrund geringer Strommengen nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: Juli 2010; Angaben vorläufig Quelle: AGEE Stat, Juli 2010 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 8

9 Entwicklung EE-Stromerzeugung (2) Quelle: Erfahrungsbericht 2012 zum EEG Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 9

10 Stromerzeugung aus EE Quelle: Erfahrungsbericht 2012 zum EEG Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 10

11 Strukturentwicklungen August 2007 April 2009 Mai 2008 Quelle: Städtische Werke Spremberg Umwelttechnik Folie 11

12 Entwicklung EE- PV-Einspeisung - regionales Beispiel - Installierte EEG/KWK-Anlagen in Spremberg (Stand Aug. 2011) 13,43 MW Solarenergieeinspeisung kwh kwh kwh kwh kwh kwh bis Juli kwh Vielen Dank an: x 1,1 x 2,0 x 3,9 x 1,8 x 6,2 x 2,5 x 228 Umwelttechnik Folie 12

13 Energieversorgungssysteme der Zukunft Initiative der EU - SmartGrid = intelligente/ aktive Netze - Hauptansatz: - gezielter Einsatz von IKT Kontrolle, Steuerung und Regelung von Energieversorgungssystemen Quelle: Towards Smart Power Networks Directorate-General for Research Sustainable Energy Systems, 2005 Umwelttechnik Folie 13

14 Internet der Energie IKT-basiertes Energiesystem der Zukunft Förderprogramm Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie in ressortübergreifender Partnerschaft mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelttechnik Folie 14

15 EEG-/ KWK-Einspeisung Last Quelle: VDE-Studie Smart Distribution Max. EEG-/ KWK-Erzeugung überschreitet min. Last Last und Erzeugung an einem Schwachlasttag in Deutschland 2020 Lösungsansätze: 1. Leistungsüberschuss vermarkten? 2. Lastzuschaltung? 3. Lastverschiebung? 4. Einspeiseanpassung? 5. Einsatz von Speichern? Notwendigkeiten: 1. Beitrag zu Systemdienstleistungen Sicherung der Qualität der Energieversorgung 2. Entwicklung von Speichertechnologien und Lastmanagement Bilanzsicherung Umwelttechnik Folie 15

16 Systemdienstleistungen ÜNB Verpflichtung zur Erbringung von Systemdienstleistungen (siehe EnWG 12 und 13) sicherer und zuverlässiger Netzbetrieb innerhalb der Regelzone Erwerb von Dienstleistungen Dritter am freien Markt Mindestqualitäts- und Quantitätsanforderungen für Regelenergie gefordert EEG-/ KWK-Anlagen sind in der Lage, bestimmte Systemdienstleistungen zu erbringen Mindestleistung meist zu hoch für einzelne Anlagen Verbund mehrerer verteilter Erzeuger könnte Größenordnung sichern virtuelle Kraftwerke Motivierung zur Erbringung von Systemdienstleistungen Integration als reguläre Marktteilnehmer (schrittweise!) Anpassung von Vergütungsmodellen Umwelttechnik Folie 16

17 Integration von Virtuellen KW Technik ist verfügbar Entwicklung von Marktmodellen erforderlich! Anreiz zur Beteiligung an Systemdienstleistungen Weg der Untersuchungen: - Darstellung eines repräsentativen Lastprofils (Mischung Industrie, Haushalte, Gewerbe, Landwirtschaft) - Erzeugungsmix (Wind, PV, KWK fossil und BM/ BG, Lastmanagement, Speicher) anteilig vorgelagertes Netz, bei KWK ist Wärmebedarf zu berücksichtigen - mögliche Vergütungsvarianten Deckungsbeitragsermittlung - Entscheidungen zu Anreizsystemen zukünftiger Versorgungsstrukturen Umwelttechnik Folie 17

18 Neue Marktrollen Smart Meter Verbraucher richten ihr Verhalten nach Erzeugungssituation (teilweise) Messstellendienstleister und -betreiber Verbraucher (Anschlussnutzer) kann Messbetrieb und Messung an unabhängigen Dienstleister vergeben Speicher(betreiber) Wechselnde Aufgaben Verbrauch bei Energieüberangebot Erzeugung bei Energieminderangebot Vergütung/ Anreize/ Förderung noch nicht geklärt Umwelttechnik Folie 18

19 Anforderungen an Speicher Energiespeicher Entkopplung von Angebot und Bedarf elektrischer Energie - Kurzfristiger Verbrauch/ Erzeugung - Überschuss/ Mangel über langen Zeitraum - geringe Leistung - hohe Leistungen Möglichkeiten der großtechnischen Speicherung Technisch-wirtschaftliche Bewertung Entwicklungsrichtungen Information für Öffentlichkeit und Politik Quelle: DENA-Studie Umwelttechnik Folie 19

20 Speichervarianten Energiewirtschaft Zentrale Speicher Dezentrale Speicher Energiehandel und Regelaufgaben saisonaler Ausgleich/ längere Flauten Puffer direkt an der Einspeiseeinheit Aspekte der Energiewirtschaft Wandel in den Versorgungsstrukturen Energiespeichersysteme im Verteilnetzbereich Smart Grid Vergleichmäßigung der Energielieferung und Überbrückung kurzfristiger Versorgungsdefizite lokale Regelaufgaben Fahrplanenergie = Regelversorgung Preisbildung im Wettbewerb durch Handel an öffentlichen Handelsplätzen = Planung des Systembetriebes (siehe Energielogistik ) Energiespeicher = Preise aus Spreads = schwankende Preise an den Handelsplätzen/ für Produkte Regelleistung (kontimuierlich, Minutenbereich) =abrufbar zum Systemausgleich bei E V, flukurierende Einspeisung/ Prognoseungenauigkeit erhöht Bedarf Reserveleistung =benötigt in Notsituationen hohe Leistung für begrenzte Zeit Deckungsbeiträge, Kosten, Gewinne???? Umwelttechnik Folie 20

21 Speichervarianten Energiewirtschaft Vollkostenvergleich für Langzeitspeicherung Quelle: VDE-Studie Energiespeicher in Stromversorgungsnetzen Vollkostenvergleich für Load-Levelling-Aufgaben Umwelttechnik Folie 21

22 Lastmanagement Elektromobilität Ansatz: mobile Energiespeicherung Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge Elektrofahrzeuge Fahrzeuge mit H 2 -Antrieben auf Brennstoffzellenbasis Ladung am Netz Lastmanagement direkt gespeicherten Wasserstoff nutzen Lastmanagement indirekt EU-Flottenziel zur CO 2 -Reduzierung bei Fahrzeugen Mercedes Autos mit Brennstoffzelle auf H 2 -Basis Umwelttechnik Folie 22