Energiewirtschaft im Umbruch

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1 Energiewirtschaft im Umbruch Referat zum ersten Stadtgespräch 2017 der Stadt Garbsen und ihres Freundeskreises am

2 Die Wirkung der Elektrizität ist global sichtbar Quelle: NASA's Earth Observatory Seite 2

3 Ohne Strom ist das moderne Leben nicht vorstellbar Mobilität Licht Wärme Klimatisierung Medizintechnik Kühlung Zahlungsverkehr Informationstechnik Kommunikation Seite 3

4 Inhalt Energiewirtschaft im Umbruch 1. Was wollen wir erreichen und wo stehen wir heute? 2. Welche Herausforderungen kommen auf uns zu? 3. Was sollten wir beachten und was können wir tun? 4. Ausblick Seite 4

5 Was versteht man in Deutschland unter Energiewende? Übergang vom Verbrauch endlicher fossiler und nuklearer Primärenergien zum Einsatz nachhaltig verfügbarer erneuerbarer Energien (EE). Ziel Status Abschluss Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen bis 2023 Ausbau der Erneuerbaren auf 80 % der Stromerzeugung Vollständige Dekarbonisierung der Stromwirtschaft 100 % EE Elektrifizierung der gesamten Wirtschaft (Sektorenkopplung) in Umsetzung bis 2050 in Planung bis 2080 Vision bis???? Seite 5

6 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien verfügbare Technik Windenergie auf See Windenergiean Land Dezentrale Windenergie Photovoltaik - zentral Photovoltaik - dezentral Solarthermie Biomasse-Kraftwerk Biogas-Anlage Biomethan-Anlage Seite 6

7 Brutto-Stromerzeugung Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland 200 TWh Novellierungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) Stromeinspeisegesetz ab 1. Januar 1991 Novelle BauGB ab November 1997 EEG 2000 ab 1. April 2000 EEG 2004 ab 1. August 2004 EEG 2009 ab 1. Januar 2009 EEG 2014 ab 1. August 2014 EEG 2012 ab 1. April ) 2) 3) Wind offshore Wind onshore Photovoltaik Biomasse 1) Hausmüll (Bioanteil) Wasserkraft 3) bis 1998 nur Einspeisung in das Netz der allgemeinen Versorgung, Angaben ab 2003 beinhalten auch die industrielle Stromerzeugung aus flüssiger Biomasse biogener Anteil (50 %) bei Pumpspeicherkraftwerken nur Stromerzeugung aus natürlichem Zufluss 2) Quelle: BmWi (Daten AGEE-Stat) Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, 02/2017 Seite 7

8 Brutto-Stromerzeugung Strommix Deutschland (nach Primärenergieträgern) 700 TWh 600 Wind offshore Wind onshore Photovoltaik 500 Biomasse Hausmüll (Bioanteil) Wasserkraft Übrige Energieträger Mineralölprodukte Erdgas Steinkohle Kernenergie Braunkohle 0 Quelle: AGEB Stand: 7. Februar 2017 Seite 8

9 Leitplanken und Ziele des EEG-Ausbaus (Reform 2014) Erneuerbare Energie Ausbaugeschwindigkeit Ausbauziel 2020 Ausbauziel 2030 Solarenergie Windenergie an Land 2500 MW/a (brutto) 2500 MW/a (netto) Windenergie auf See MW MW Biomasse Geothermie Wasserkraft 100 MW/a (brutto) keine Maßnahmen zur Mengensteuerung vorgesehen keine Maßnahmen zur Mengensteuerung vorgesehen Quelle: BMWi, EEG-Reform, Gesetzentwurf des novellierten EEG, 2. Mai 2014 Seite 9

10 EEG-Ausbauziele der Bundesregierung 100 % EE-Anteil an der Deckung des Stromverbrauchs (historisch) Obergrenze Ausbaukorridor Koalitionsvertrag 2013 Untergrenze Ausbaukorridor Koalitionsvertrag 2013 Ausbauziele Bundesregierung Energiekonzept 2010 Eckpunkte der Obergrenze des Ausbaukorridors Eckpunkte der Untergrenze des Ausbaukorridors Eckpunkte des Energiekonzepts : 50 % 2040: 65 % 2035: % 2050: 80 % : 31,7 % 2020: 35 % 2025: % Quelle: Seite 10

11 Erzeugungsleistung Stromerzeugung Eine typische Woche vor der Energiewende 80 GW Solar Windkraft Gas Steinkohle Braunkohle Kernkraft Laufwasser Sonstige Gesamtlast 0 Montag 0:00 Dienstag 0:00 Mittwoch 0:00 Donnerstag 0:00 Freitag 0:00 Samstag 0:00 Sonntag 0:00 Montag 0:00 Seite 11

12 Erzeugungsleistung Eine typische Woche mit Einspeisung von Wind- und Solarenergie 80 GW 70 Solar Windkraft Gas 40 Steinkohle 30 Braunkohle 20 Kernkraft Laufwasser 10 Sonstige 0 Montag 0:00 Dienstag 0:00 Mittwoch 0:00 Donnerstag 0:00 Freitag 0:00 Samstag 0:00 Sonntag 0:00 Montag 0:00 Gesamtlast Seite 12

13 Erzeugungsleistung Eine typische Woche mit Einspeisung von Wind- und Solarenergie 80 GW 70 Solar Windkraft Konventionelle Erzeugung Gesamtlast Residuallast 10 0 Montag 0:00 Dienstag 0:00 Mittwoch 0:00 Donnerstag 0:00 Freitag 0:00 Samstag 0:00 Sonntag 0:00 Montag 0:00 Seite 13

14 Leistung Leistung EEG-Strom-Einspeisung führt häufig zu einem negativen Bilanzsaldo MW Januar 2015 Wind Solar Bilanzsaldo MW Juli 2015 Wind Solar Bilanzsaldo Quelle: Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) Seite 14

15 Exportesaldo Deutliche Zunahme des Exportsaldos und der Ausfallarbeit 70 TWh Ausfallarbeit und Entschädigungen aufgrund von Einspeisemanagement Exportsaldo Quellen: 1. Exportsaldo: AGEB Stand: Ausfallarbeit: BNA Quartalsberichte 2016 Seite 15

16 Brutto-Stromerzeugung Strommix Deutschland (disponibel und indisponibel) 700 TWh 600 disponibel indisponibel Inlandsstromverbrauch Stromerzeugung Windenergie offshore Windenergie onshore 500 Photovoltaik Wasserkraft Biomasse 400 Hausmüll (Bioanteil) Übrige Energieträger 300 Mineralölprodukte Erdgas 200 Steinkohle Kernenergie Braunkohle Quellen: 1. Exportsaldo: AGEB Stand: Ausfallarbeit: BNA Quartalsberichte 2016 Seite 16

17 EEG-Differenzkosten Entwicklung der EEG-Umlage 25 Mrd. 20 EEG-Differenzkosten Photovoltaik Wind offshore Wind onshore Geothermie Biomasse Deponie-, Klär-, Grubengas Wasserkraft *2016* * 2015 und 2016 Prognosewerte zur Ermittlung der EEG-Umlage; tatsächliche Differenzkosten vermutlich höher, da Börsenpreise vermutlich ex-post niedriger liegen als prognostiziert Quelle: BDEW - Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken Seite 17

18 EEG-Differenzkosten Strombörsenpreis Entwicklung der EEG-Umlage 25 Mrd. EEG-Differenzkosten Photovoltaik Wind offshore Wind onshore Geothermie 36 Biomasse 32 Deponie-, Klär-, Grubengas Wasserkraft und des Strombörsenpreises Strombörsenpreis** / MWh *2016* * 2015 und 2016 Prognosewerte zur Ermittlung der EEG-Umlage; tatsächliche Differenzkosten vermutlich höher, da Börsenpreise vermutlich ex-post niedriger liegen als prognostiziert ** bis 2009 Stromwert mittels Phelix-baseload-year-future-Durchschnitt des vorangegangenen Jahres, 2010 bis 2014 anhand tatsächlicher Vermarktungserlöse berechnet, 2015 Phelix-baseload-year-future-Durchschnitt gem. AusglMechV Quelle: BDEW - Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken 0 Seite 18

19 Inhalt Energiewirtschaft im Umbruch 1. Was wollen wir erreichen und wo stehen wir heute? 2. Welche Herausforderungen kommen auf uns zu? 3. Was sollten wir beachten und was können wir tun? 4. Ausblick Seite 19

20 Die Stadt ohne Strom Albtraum der Versorgungsindustrie Quelle: Seite 20

21 Das Zieldreieck der Energiewirtschaft Versorgungssicherheit Mensch sozial Natur ökologisch ökonomisch Markt Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Seite 21

22 1 Absatz (1) Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) Versorgungssicherheit Zweck des Gesetzes ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht. Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Seite 22

23 Was bedeutet Versorgungssicherheit? Aufgaben der Stromerzeuger Gesicherte Leistung Systemdienstleistungen Hohe Verlässlichkeit Aufgaben der Netzbetreiber Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netzwiederaufbau Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz Erwartungen der Kunden Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen Stromerzeuger Netz Stromkunden Übertragungsnetzbetreiber ÜNB Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 23

24 Blackout in Italien , 01:00 Uhr , 03:20 Uhr Quelle: E.ON Seite 24

25 Was bedeutet Versorgungssicherheit? Aufgaben der Stromerzeuger Gesicherte Leistung Hohe Verlässlichkeit Systemdienstleistungen Aufgaben der Netzbetreiber Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netzwiederaufbau Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz Erwartungen der Kunden Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen Stromerzeuger Netz Stromkunden Übertragungsnetzbetreiber ÜNB Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 25

26 Installierte und gesicherte Stromerzeugungsnettoleistung Nicht gesicherte Leistung (verfügbare Leistung ohne Antrieb) Geplante Nichtverfügbarkeiten (Revisionen) Ungeplante Nichtverfügbarkeiten (Ausfälle) Gesamte installierte Stromerzeugungsnettoleistung Systemdienstleistungen (Regelleistung) verfügbare Leistung (Reserve) eingespeiste Erzeugungsleistung (Erzeugungs-Last) Gesicherte Stromerzeugungsnettoleistung (Gesicherte Leistung) Seite 26

27 Gesicherte Leistung und Jahreshöchstlast Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten GW Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Freie gesicherte Leistung Jahres- Höchstlast Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quelle: Energiedaten und eigene Berechnungen Seite 27

28 Gesicherte Leistung und Jahreshöchstlast Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten GW Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser 150 Freie gesicherte Leistung Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) 100 Jahreshöchstlast 97,1 9,5 Erdgas Steinkohle 50 87,6 Braunkohle Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quellen: 1. Kraftwerksliste - Stand: 10. Mai 2016 und 2. Fraunhofer ISE Energy Charts Seite 28

29 Gesicherte Leistung und Jahreshöchstlast 2023 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten 250 GW Ungeplante Nichtverfügbarkeiten Systemdienstleistungen 200 Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser 150 Freie gesicherte Leistung Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) 100 Jahreshöchstlast 97,8 10,2 Erdgas 50 Steinkohle 87,6 Braunkohle Kernenergie 0 Installierte Netto-Leistung Gesicherte Leistung Quellen: 1. Kraftwerksliste - Stand: 10. Mai 2016 und 2. Fraunhofer ISE Energy Charts Seite 29

30 Was bedeutet Versorgungssicherheit für die Stromerzeuger? Aufgaben der Stromerzeuger Gesicherte Leistung Hohe Verlässlichkeit Systemdienstleistungen Aufgaben der Netzbetreiber Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netzwiederaufbau Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz Erwartungen der Kunden Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen Stromerzeuger Netz Stromkunden Übertragungsnetzbetreiber ÜNB Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 30

31 Leistung in MW Das Phänomen Dunkelflaute Januar 2012 Wind Solar Last Monat Januar Februar März Oktober November Dezember Summe Einspeisung aus Wind- und Solarenergie jeweils kleiner als 10 Prozent ihrer installierten Gesamtkapazität über eine Dauer von mind. 24 Stunden Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) 2. european network of transmission system operators for electricity (entso-e) Seite 31

32 EE-Leistung und Last Zeiten geringer Einspeisung von EEG-Strom Die Dunkelflaute 80 GW 70 Dunkelflaute im Januar Gesamtlast 50 Residuallast Andauernder Mangel an EE-Leistung in einer Größenordnung von 40 bis 70 GW Windenergie Solarenergie 10 Sonstige EE Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB); 2. european network of transmission system operators for electricity (entso-e) Seite 32

33 EE-Leistung und Last Die Dunkelflaute Energiespeicher zur Deckung des Mangels? 80 GW 70 Dunkelflaute im Januar Gesamtlast 50 Residuallast Speicherbedarf: 1200 GWh / Tag entspricht Größenordnung: 60 Mio. Elektro-Autos à 20 kwh 2 Tsd. Druckluftspeicher à 600 MWh 140 große Pumpspeicher à 8,5 GWh Windenergie Solarenergie 10 Sonstige EE Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB); 2. european network of transmission system operators for electricity (entso-e) Seite 33

34 Energiespeicher für zu Hause Was ist heute möglich? Mercedes Benz Energiespeicher Home 2,5 Eaton-Nissan xstorage Home VARTA HOME sonnen sonnenbatterie Tesla Powerwall 2 System Lithium-Ionen (Ni, Mn, Co) Lithium-Ionen Lithium- Eisenphosphat Lithium- Eisenphosphat Lithium-Ionen Kapazität W kwh 2,3 4,2 2,8 4,0 13,5 Abmessungen H x B x T cm³ 47 x 43 x x 70 x x 60 x x 64 x x 76 x 16 Spannung U V 39,7-54? 400 V AC?? Dauer- Spitzenleistung Preis ohne Montage P D / P P kw / kw 1,25 / - 3,0 / 6,0 2,4 / - 2,5 / - 5,0 / 7,0 5411,- 4165,- 7952,- ca. 8500,- ca. 6000,- Seite 34

35 EE-Leistung und Last Die Dunkelflaute Energiespeicher zu Hause? 80 GW 70 Dunkelflaute im Januar Gesamtlast 50 Residuallast GWh Speicherbedarf: 1200 GWh / Tag entspricht Größenordnung: 10 Mio. sonnenbatterien à 4 kwh Tagesspeicherkapazität 40 GWh Anschaffungskosten: ca. 100 Mrd. Windenergie Solarenergie Sonstige EE Quellen: 1. Einspeisedaten der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB); 2. european network of transmission system operators for electricity (entso-e) Seite 35

36 Was bedeutet Versorgungssicherheit für die Stromerzeuger? Aufgaben der Stromerzeuger Gesicherte Leistung Hohe Verlässlichkeit Systemdienstleistungen Aufgaben der Netzbetreiber Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netzwiederaufbau Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz Erwartungen der Kunden Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen Stromerzeuger Netz Stromkunden Übertragungsnetzbetreiber ÜNB Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 36

37 Frequenz Frequenz Frequenz Frequenz Frequenz Versorgungsqualität - Frequenzschwankungen 50,2 50,1 Großbritannien Zentraleuropa Schweden 50,2 Hz Hz Hz 50,1 50,2 50,1 50,0 50,0 50,0 49,9 49,9 49,9 49,8 49,8 49, h h h 48 Zeit h Zeit Zeit 50,2 Hz 50,1 China (Osten) 50,2 Hz 50,1 Singapur 50,0 50,0 49,9 49,9 49, h 48 Zeit 49, h 48 Zeit Quelle: Wikipedia Versorgungsqualität Seite 37

38 Europäischer Netzverbund und deutsche Übertragungsnetzbetreiber European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E) Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland (ÜNB) Quelle: Wikipedia Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber Quelle: Wikipedia Übertragungsnetzbetreiber Seite 38

39 Welche Folgen ziehen Frequenzabweichungen nach sich? Eine Abweichung von ca. 2 GW führt zu einer Frequenzänderung von ca. 100 mhz ± 3 GW PRL stabilisieren die Frequenz zwischen 49,8 und 50,2 Hz In Deutschland halten die ÜNB im NRV ca. ± 4 GW SRL/MRL vor Maßnahmen bei Frequenzabweichungen: Quelle: Volker Weinreich, Tennet Seite 39

40 negative Regelleistung positive Regelleistung Trägheit Primärregelleistung Sekundärregelung Minutenreserve Bilanzkreisausgleich 0 s 30 s 5 min 15 min 1 h Zeit Die Regelleistung zur Frequenzhaltung wird im Wesentlichen von konventionellen Kraftwerken bereitgestellt. Seite 40

41 Inhalt Energiewirtschaft im Umbruch 1. Was wollen wir erreichen und wo stehen wir heute? 2. Welche Herausforderungen kommen auf uns zu? 3. Was sollten wir beachten und was können wir tun? 4. Ausblick Seite 41

42 Leistung Geplanter Aus- und Rückbau der konventionellen Kraftwerkskapazität 100 GW 97,4 GW + 1,8 GW - 4,4 GW - 10,8 GW 84,0 GW 88,8 GW 80 Reserve Pumpspeicher und sonstige Speichertechnologien Sonstige Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie 0 in Betrieb Zubau Stilllegung Ausstieg Kernkraft bis 2023 Kapazität 2023 Kapazität Reserve Quelle: Bundesnetzagentur, Kraftwerksliste (Stand ) Seite 42

43 Leistung in GW Simulation der Stromerzeugung 2023 mit Überschüssen Annahmen: Last- und Wetter wie im Jahr 2016 Kraftwerksstillegungen gemäß Bundesnetzagentur Ausbau der Erneuerbaren Energien nach EEG Konventionell Konevntionelle incl. Residuallast Must Run mit Must Run Solar Wind auf See Wind an Land Biomasse Laufwasser Sonstige h 8000 Last Seite 43

44 Leistung in GW Simulation der Stromerzeugung 2023 Must Run Annahmen: Last- und Wetter wie im Jahr 2016 Kraftwerksstillegungen gemäß Bundesnetzagentur Ausbau der Erneuerbaren Energien nach EEG Konventionell Rest Solar Wind auf See Wind an Land Konventionell "Must Run" Biomasse Laufwasser Sonstige h Last Seite 44

45 Mio. t CO 2 / a CO 2 -Emmisionen im Jahr Annahmen: Last- und Wetter wie im Jahr 2016 Kraftwerksstillegungen gemäß Bundesnetzagentur Ausbau der Erneuerbaren Energien nach EEG Verbleibende CO 2 - Mehr-Emissionen Seite 45

46 Mio. t CO 2 / a CO 2 -Emmisionen im Jahr Annahmen: Last- und Wetter wie im Jahr 2016 Kraftwerksstillegungen gemäß Bundesnetzagentur Ausbau der Erneuerbaren Energien nach EEG Verbleibende CO 2 - Mehr-Emissionen Seite 46

47 Residuallast Entwicklung der Residuallast entlang der EEG-Ausbaupläne 80 GW 60 Die Erneuerbaren Energien senken die Residuallast. Die Spitzen der Residuallast bleiben aber bestehen h Zur Abdeckung der Residuallastspitzen ist gesicherte Leistung erforderlich h 9000 Jahresstunden Seite 47

48 Residuallast Überschuss und Mangel 80 GW Zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit werden konventionelle Kraftwerke benötigt. Reservekraftwerke zur Abdeckung der gesicherten Leistung (stehende Reserve) 40 GW 8760 h GW Überschüsse aufgrund negativer Residuallast Export, Ausfallarbeit GW Überschüsse durch Vorrang für Must Run Systemdienstleistungen, KWK, Industrie 40 GW Disponierbare Kraftwerke zur Abdeckung der Residuallast Mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien werden merkliche Überschüsse produziert h 9000 Jahresstunden Seite 48

49 Wie sieht der künftige Kraftwerkspark aus? Rolle der konventionellen Kraftwerke im Verbund mit erneuerbaren Energien Konzepte zur Bereitstellung gesicherter Leistung Welche Art von Kraftwerken wird die Spitzenlast abdecken? Gasturbinen-Kraftwerk Gasmotoren-Kraftwerk Seite 49

50 Inhalt Energiewirtschaft im Umbruch 1. Was wollen wir erreichen und wo stehen wir heute? 2. Welche Herausforderungen kommen auf uns zu? 3. Was sollten wir beachten und was können wir tun? 4. Ausblick Seite 50

51 Campus Maschinenbau der Leibniz Universität Hannover in Garbsen Seite 51

52 Leistung Erhöhte Dynamik im Stromversorgungssystem 80 GW Februar 2016 Erneuerbare Energien Vorrangige Einspeisung Schwankende Leistung Zunehmende Regelvorgänge Hohe Lastgradienten Häufige An- und Abfahrten Geringere Mindestlast konventionelle Kraftwerke Dynamischere Betriebsweise Höhere Belastung Der Ausbau der Erneuerbaren Energien führt zu erhöhten Anforderungen an konventionelle Kraftwerke! Seite 52

53 Maßnahmen zur Flexibilisierung der Kraftwerke Simulation des Wasser-Dampf-Kreislaufes im Kraftwerk Mehrum Simulation instationärer Kraftwerksprozesse Systemdienstleistungen konventioneller Kraftwerke Seite 53

54 Campus Maschinenbau der Leibniz Universität Hannover in Garbsen vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 54