Effizienz, erneuerbare Energien,

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1 Die Energiezukunft nachhaltig gestalten Effizienz, erneuerbare Energien, Elektrifizierung i Technik und Infrastruktur zur erfolgreichen Umsetzung in der Praxis Göran Andersson Professor für elektrische Energieübertragung und Hochspannungstechnik Schlüsselfragen für die Umsetzung in der Praxis Ist es möglich, ein elektrisches Energiesystem mit hohem Anteil von fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen zu betreiben? Ohne die Zuverlässigkeit des Stromnetzes (Blackout) zu gefährden Ohne Komfortverlust t für die Gesellschaft Welche Rolle spielt Energieeffizienz für eine nachhaltige Energiezukunft? Klassische Energieeffizienz Energieeffizienz des Stromnetzes Energieeffizienz bei der Integration erneuerbarer Energien ins Stromnetz

2 Rolle des Stromnetzes im europäischen Verbund ENTSO-E Zu jedem Zeitpunkt zuverlässigen Stromtransport und Stabilität ermöglichen: Σ Stromerzeugung (Angebot) = Σ Strombedarf (Nachfrage) Je grösser das elektrische System, desto effizienter der Betrieb Geographischer Ausgleich zwischen einzelnen Regionen Kosten reduzieren von Angebots- und Nachfrage-Ungleichgewicht (Regelenergie) Gesamtkosten von Stromerzeugung und Stromtransport reduzieren Zukünftige Herausforderung für das Schweizer Stromnetz Höherer Stromverbrauch (+25%): Leitungskapazitäten? g [in MW] Elektrische Leistung Zeit [ in h] [ENTSOE 2011] Beispiel: 10-Tage-Lastgang (Sa., Mo., ), ohne Export. Skalierung +25% für ETH Szenario 2050

3 Zukünftige Herausforderung für das Schweizer Stromnetz Fluktuierende Einspeisung: Strommangel/-überfluss, Leitungskapazitäten? Elektrisc che Leistun ng [in MW] Stromüberfluss Strommangel Zeit [ in h] [ENTSOE 2011, EEX 2011] Beispielhaft: Skalierung mögliche Last, Wind- und PV-Einspeisung laut ETH Szenario 2050 (Juni/Juli-Woche) Lösung der Herausforderungen bedeutet mehr Flexibilität Stromverbrauch: Stromerzeugung: Lastkurve verändern und/oder Einspeisekurve verändern und/oder verschieben durch höhere verschieben durch Kraftwerks-steuerung steuerung Energieeffizienz oder aktives Stromverbrauch und/oder Speichereinsatz. Lastmanagement. = Stromerzeugung g L eistung Zeit

4 Quellen für Flexibilität im elektrischen Energiesystem Flexibilitätsbedarf Konv. Kraftwerke Energiespeicher Lastmanagement Wind-/PV-Anlagen (z.t. Biomasse/Biogas) Voll verfügbare Speicher Speicher-/Pumpspeicher- Kraftwerke, Druckluft-Speicher, stationäre Batterien, u.a. Thermische Haushalts-Lasten Wärmepumpen, Boiler, Kühlschränke, u.a. Zeitabhängig verfügbare Speicher Elektrohybrid/Elektro-Autoflotten, ua u.a. Industrie-Lasten Aluminiumelektrolyse, Elektrostahlund Holzstoff-produktion, u.a. Konventionelle Kraftwerke Konv. Kraftwerke Konventionelle Kraftwerke sind im Szenario 2050 nur bedingt für flexibles Management geeignet. Weniger Bandlast-Kraftwerke einsetzen: Konventionelle Grosskraftwerke wie Kohle, Laufwasserkraft, Nuklear Mehr flexible Kraftwerke einsetzen: Moderne, kleine, auch dezentrale Kraftwerke wie Gas, GuD, WKK GuD Heizkraftwerk, Berlin-Mitte Braunkohlekraftwerk Jänschwalde, Brandenburg

5 Energiespeicher-Optionen Energiespeicher Batterie-Systeme Wirkungsgrad: η 85% Pumpspeicherung Wirkungsgrad: η 80% Druckluftspeicher (CAES) η 40-50% (ohne Wärmespeicher) η 65-75% (mit Wärmespeicher) Synthetisierung von Methan/Erdgas (CH 4 ) Elektrolyse von Wasserstoff (H 2 ) η 30-40% (Strom CH 4 Strom) η 40-50% (Strom H 2 Strom) Emosson (Nant de Drance) [Sterner 2009] Schweizer Speicherkapazitäten & Ausbaupläne Die Schweiz besitzt im europäischen Vergleich grosse Pumpspeicher- und saisonale Speicherkapazitäten. Energiespeicher 11.2 GW 12.8 GW [in GW] Leistung 9.5 GW 1.7 GW 3.4 GW 5.0 GW Existierend (2010) Existierend (2010) plus Anlagen im Bau Existierend (2010) plus im Bau, plus lizenziert & geplant [BFE 2011]

6 Aktives Lastmanagement = Kurzzeit-Energiespeicherung Ziel: Lastmanagement ohne Komfortverlust, mit Hilfe zeitlicher Verschiebung und/oder Veränderung der Lastkurve Lastmanagement Die drei wichtigsten Verbrauchergruppen für Lastmanagement Thermische Haushaltslasten Industrie-Verbraucher Lade-Management Elektro-/Elektrohybrid-Autos (in Zukunft) Aktives Lastmanagement in der Schweiz Ausgewählte Beispiele im Grössenvergleich Lastmanagement

7 Aktives Lastmanagement in der Schweiz Ausgewählte Beispiele im Grössenvergleich Lastmanagement 45 Stunden 4 Stunden 1 Stunde 6 Min. 25 Min. Fluktuierende Stromerzeugung (Wind und PV) Bessere Netz-Integration der erneuerbaren Energien durch bessere Prognosegüte für Wind, PV (und Stromverbrauch) Deutsche Netzagentur (dena): «Verbesserung der Windprognose (ca.45%) bis 2020 notwendig, damit Regelenergiebedarf nicht signifikant ansteigt.» Regelbarmachung fluktuierender Wind/PV-Einspeisung Idee: Kontrollierte Abregelung der Stromeinspeisung aus Wind- und PV- Anlagen, wenn «Stromüberfluss» droht (einige Stunden im Jahr). Wind-/PV- Anlagen Regelbarmachung (Curtailment) von Wind-Einspeisung (REE Red Eléctrica de España)

8 Prognosen sind bereits sehr gut (Beispiel PV-Erzeugung) 16' ' '000.0 Vorhersage Gemessene Werte ] [MW] 10' ' ' ' ' [Stunden] PV-Erzeugung in DE: 10 Tage vom Prognosen sind bereits sehr gut (Beispiel Wind-Erzeugung) 14' '000.0 Wind (Vorhersage) Wind (gemessen) 10'000.0 ] [MW] 8' ' ' ' [Stunden] Wind-Erzeugung in DE: 10 Tage vom

9 Welche Rolle spielt Energieeffizienz? Vier zentrale Bereiche der Energieeffizienz Gebäude Reduktion des Stromverbrauchs Energieeffizienz des Stromnetzes Mobilität Energieeffizienz des Stromnetzes Verluste des Stromnetzes sind allgemein gering Leitungsverluste in Stromnetzen (in % Gesamtstromverbrauch): ~7% %(OECD Europa) Zusätzliche Verluste bei der Integration neuer erneuerbarer Energien sind marginal Herausforderung: Variabilität der fluktuierenden erneuerbaren Energien (Wind, PV) Kurzzeit-/Langzeit-Energiespeicherfähigkeit erforderlich, aber: 1. Pumpspeicher-Verluste (heute): 0.5TWh pro Jahr ( 0.9% Stromverbrauch CH) 2. Überdimensionierung von Wärmepumpen, Kühlgeräten, etc. für Lastmanagement

10 Antworten auf die Schlüsselfragen Ein sicheres elektrisches Energiesystem mit hohem Anteil neuer erneuerbarer Energiequellen ist ohne Komfortverlust möglich Aber wir brauchen: einen starken Ausbau von Kurz- und Langzeitspeicher ein flexibles Netz und intelligente Netzführung noch bessere Prognosemodelle (auf lokaler Ebene) Antworten auf die Schlüsselfragen Welche Rolle spielt die Energieeffizienz? Klassische Effizienz ist wichtig! (Gebäude, Haushalt, Mobilität, etc.) Für eine nachhaltig gestaltete Energiezukunft spielt erhöhte Stromproduktion eine zentrale Rolle Daher: Neu sollte auch die Systemeffizienz berücksichtigt werden, d.h. die Stromverluste im Netz und die Speicherverluste sind zu minimieren Umfassende Effizienzsteigerung in diesem Sinn erfordert neue technische e Lösungen, insbesondere e bei Speichertechnik, e Kühlsystemen, Regelstrategien, Management u.a.