FLEXIBILITÄTSRESERVEN AUS DEM WÄRMEMARKT

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1 FLEXIBILITÄTSRESERVEN AUS DEM WÄRMEMARKT Flexibilitätsoptionen zum Ausgleich von Stromunterdeckung und -überschüssen aus der Netzeinspeisung fluktuierender Erneuerbarer Energien Wolfgang Schulz Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM OE Energiesystemanalyse (ehem. Bremer Energie Institut) Veranstalter: Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE) Forum Erneuerbare Energien Hannover, 9. April 2014

2 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Fazit Folie 2

3 Hintergrund Energiewende: Sonne und Wind werden die Stromerzeugung in Deutschland prägen Ein mögliches Szenario: 80% Strom aus EE davon: 1/3 onshore Wind 1/7 offshore Wind 1/4 PV 2030 (o. später) zu erwartender Residuallastverlauf (blau) GW Szenario (20) (40) (60) Last Erzeugung Wind, PV & Laufwasser Residuallast aus Norbert Krzikalla et al. (BET): Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien, April 2013 Folie 3

4 Hintergrund Geordnete Dauerlinie der hieraus zu erwartenden Residuallasten Residuallast (RL) (GW) negative I positive Kalenderjahr (h/a) Folie 4

5 Hintergrund Geordnete Dauerlinie der hieraus zu erwartenden Residuallasten Residuallast (RL) (GW) negative I positive GW 163 TWh/a 73% Kalenderjahr (h/a) 26% - 84 GW 46 TWh/a pos. RL = Unterdeckung neg. RL = Überschuss Zeiträume mit Unterdeckung dominieren Folie 5

6 Hintergrund Herausforderung der Zukunft: Ausgleich der Residuallasten insbesondere der jeweiligen Unterdeckung Herausforderung der Zukunft : Senkung des Wärmeverbrauchs insbesondere im Gebäudebestand bleibende Wärmeschutzdefizite müssen durch rationelle Wärmeerzeugungstechnik kompensiert werden Folie 6

7 Hintergrund Herausforderung der Zukunft: Ausgleich der Residuallasten insbesondere der jeweiligen Unterdeckung Herausforderung der Zukunft : Senkung des Wärmeverbrauchs insbesondere im Gebäudebestand bleibende Wärmeschutzdefizite müssen durch rationelle Wärmeerzeugungstechnik kompensiert werden Beides spricht für eine maximale Ausnutzung des KWK-Prinzips Maximaler KWK-Effekt (= maximale Brennstoffeinsparung) bei hohen elektrischen Wirkungsgraden Folie 7

8 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Fazit Folie 8

9 Herangehensweise Modellbetrachtungen für verschiedene Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Modellfälle Mikro-BHKW Mini-BHKW Groß-BHKW GuD-HKW Einfamilienhaus gr. MFH Wärmenetz gr. Wärmenetz elektr. Leistung (kw ) el ( ) therm. Leistung (kw ) th 5,7 32, Brennstoffleistung (kw ) FWL 7,0 60, elektr. Wirkungsgrad (η ) el 15% 33% 41% 46,3% (52,6%) therm. Wirkungsgrad (η ) th 81% 54% 46% 42,1% Folie 9

10 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Ermittlung der Mehrkosten einer stromgeführten Fahrweise von KWK-Anlagen gegenüber einem rein wärmegeführten Betrieb Wärmelastprofil: Stromresiduallastprofil 2030: 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 0% Zeit t in h Folie 10

11 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Ermittlung der Mehrkosten einer stromgeführten Fahrweise von KWK-Anlagen gegenüber einem rein wärmegeführten Betrieb Einbeziehung von Wärmespeichern (sinnvolle Kapazität?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Folie 11

12 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Ermittlung der Mehrkosten einer stromgeführten Fahrweise von KWK-Anlagen gegenüber einem rein wärmegeführten Betrieb Einbeziehung von Wärmespeichern (sinnvolle Kapazität?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Ermittlung von Flexibilitätspotenzialen anhand der Modellergebnisse Folie 12

13 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Fazit Folie 13

14 Modellbetrachtungen Wärmebedarfsprofil: Stromresiduallastprofil 2030: 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (positive RL) zusammen? Folie 14

15 Modellbetrachtungen Wärmebedarfsprofil: Stromresiduallastprofil 2030: 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (pos. RL) zusammen? bei hoher Auslegung der KWK bei niedriger Auslegung der KWK Vh/a Vh/a Vh/a Vh/a wärmegeführt stromgeführt Folie 15

16 Modellbetrachtungen Wärmespeicher können den Verlust an Auslastung teilweise kompensieren (gezeigtes Beispiel: 1 MW-BHKW, druckloser Speicher) Volllaststunden des BHKW (h/a) ursprünglich 4000 Vh/a ursprünglich 6000 Vh/a h/a 6 h 12 h h/a Wärmespeichervolumen in m³ Folie 16

17 Modellbetrachtungen Die Kosten ( /m³) für Wärmespeicher sinken mit zunehmender Speichergröße drucklose Speicher dezentrale Wärmespeicher Großspeicher spez. Investition ( /m³) Wärmespeichervolumen (m³) spez. Investition ( /m³) Wärmespeichervolumen (m³) Quelle: IUTA 2002 Eigene Ermittlung Folie 17

18 Modellbetrachtungen Welche Speichergröße ist schließlich sinnvoll? Zuwachs an Vollbenutzungsstunden des BHKW (Vh/a) m³ / 12 h für 24,3 /(kwel*a) 100 m³ / 3,1 h für 9,5 /(kwel*a) 200 m³ / 6,2 h für 15,3 /(kwel*a) Jahreskosten des Wärmespeichers bezogen auf die elektr. Leistung des BHKW ( /(kwel*a)) Beispiel eines 1 MW-BHKW + druckloser Speicher Folie 18

19 Modellbetrachtungen Schließlich in den Modellfällen gewählt: Speicher Mikro- BHKW Mini- BHKW Groß- BHKW GuD- HKW Volumen (m³) spezif. Investitionskosten ( /m³) * Reichweite (h) bei 30 K Temperaturspreizung * bereits in der Investition des BHKW enthalten Folie 19

20 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer niedrige hohe E-Heizer: 200 h/a Auslegung E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Folie 20

21 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? stromgeführt stromgeführt Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer E-Heizer: 200 h/a E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Folie 21

22 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? stromgeführt stromgeführt Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer E-Heizer: 200 h/a E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Anmerkung: der E-Heizer arbeitet in den Momenten höchster negativer Residuallast Für große KWK-Anlagen ergeben sich akzeptable Kostenaufschläge Folie 22

23 Modellbetrachtungen Welche Rolle spielt die Auslastung der KWK-Anlagen bei den Erzeugungskosten? 500 Stromerzeugungskosten /MWh kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) jährliche Vollbenutzungsstunden Große KWK-Anlagen verkraften eine reduzierte Auslastung besser als kleine Folie 23

24 Modellbetrachtungen Wo liegen die Erzeugungskosten im Vergleich zu neuen Kraftwerken? 500 Stromerzeugungskosten /MWh kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) GuD-Kraftwerk GT-Kraftwerk jährliche Vollbenutzungsstunden Die spez. Vollkosten der Kraftwerke sind im relevanten Bereich höher als bei den großen KWK-Anlagen Folie 24

25 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Einfamilienhaus (12 kw th,1m³ Speicher) (hier: Betrieb bei negativer RL bis + 7 GW RL entsprechend 10% max. RL) Erzeugungsanteil der Wärmepumpe 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wärmeleistung der Wärmepumpe (kw) Eine Verknüpfung von WP + KWK ist in dieser Leistungsklasse unwahrscheinlich Die gewünschte Flexibilität macht hier bivalente Systeme erforderlich (z.b. WP + Heizkessel) Folie 25

26 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Wärmenetz, 1 MW-BHKW m³ Speicher + Großwärmepumpe + Heizkessel (hier: Umschaltpunkt WP/BHKW bei + 7 GW RL entspr. 10% max. RL) BHKW Vh/a Auslastung der Wärmepumpe (Vh/a) % Leistung der Wärmepumpe (kw) Hier stellen BHKW und Wärmepumpe eine ideale Ergänzung dar (Heizkesseleinsatz entfällt rechnerisch) Wärmenetze sind hierfür eine wichtige Voraussetzung 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Wärmeerzeugungsanteil Auslastung der WP (Vh/a) Erzeugungsanteil WP Erzeugungsanteil Heizkessel Folie 26

27 Modellbetrachtungen Erzeugungskosten der Wärmepumpen in Abhängigkeit von deren Auslastung 35 Wärmekosten (ct/kwh) "1 kw Fall" "20 kw Fall" "1 MW (6000 h/a) Fall" "1 MW (4000h/a) Fall" Auslastung der Wärmepumpe (Vh/a) Groß-Wärmepumpen reagieren weniger empfindlich auf eine verminderte Auslastung als dezentrale Wärmepumpen Folie 27

28 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Fazit Folie 28

29 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Fernwärmebestand und -potenzial gemäß M.Blesl, IER 2010 Folie 29

30 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Ausgleichspotenziale 35 GW positive RL Fernwärmebestand und 41 GW negative RL -potenzial gemäß M.Blesl, IER 2010 Mehrkosten flexibilisierter KWK-Fahrweisen ca. 600 Mio. /a Jahreskosten für Wärmespeicher (12 h Reichweite) ca. 500 Mio. /a Folie 30

31 Perspektiven Mögliche Residuallastabdeckung bei voller Ausschöpfung der Wärmenetzpotentiale Residuallast in 2030 (GW) KWK Kalenderjahr (h) Elektroheizer Folie 31

32 Perspektiven Wärmenetze sind zudem für eine hochgradige Einbindung von Solarthermie (Flächenertrag ggü. PV bis zu 4-fach!) Abwärme KWK auf der Basis von Biomasse (Tiefen-) Geothermie in die Wärmeversorgung wichtig Folie 32

33 Perspektiven Dänische Impressionen

34 Perspektiven Beispiel Ringköbing: Erzeugungsprotokoll für 14 Tage

35 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der zugrunde gelegten Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Fazit Folie 35

36 Fazit Günstige Flexibilitätspotenziale bestehen vor allem bei KWK-Anlagen ab der 1 MW-Klasse KWK mit Wärmenetzen bieten mithin relativ kostengünstige und ressourcensparende Flexibilitätsoptionen Die Einbindung von E-Heizern in Wärmenetze bietet relativ hohe Leistungsbeiträge zum Abbau von Stromüberschüssen, auch wenn sie nur mit 400 Vh/a betrieben werden Dezentrale Wärmepumpen müssen zur Erfüllung der Flexibilitätsansprüche bivalent ausgerichtet sein bzw. heben die abzudeckende Residuallast an Groß-Wärmepumpen und KWK können sich im Rahmen von Wärmenetzen sehr gut ergänzen Ein Speicherausbauprogramm stellt eine wichtige Komponente der notwendigen Flexibilisierung dar Wärmenetze bieten im übrigen gute Perspektiven zur Einbindung von weiteren EE und Abwärme Folie 36

37 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung - IFAM OE Energiesystemanalyse Wiener Straße Bremen Germany Web: Wolfgang Schulz Tel.: ++49 (0) Wolfgang.Schulz@ifam.fraunhofer.de Folie 37