AUSGLEICH VON ERNEUERBAREM ÜBERSCHUSSSTROM DURCH POWER-TO-HEAT - UND POWER-TO-GAS

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1 AUSGLEICH VON ERNEUERBAREM ÜBERSCHUSSSTROM DURCH POWERTOHEAT UND POWERTOGAS Windenergieagentur Bremen/Bremerhaven Bremen, 14. März 2016 Christine Brandstätt in Zusammenarbeit mit Max Fette, Sabine Meyer und anderen Ergebnisse des Forschungsprojekts MultiGridStorage 1

2 Agenda Wozu PowertoHeat oder PowertoGas? Wie modellieren wir? Wie schneiden P2H und P2G unter verschiedenen Rahmenbedingungen ab? Was bleibt? Bildquelle: faz.net 2

3 Wozu PowertoHeat oder PowertoGas? Integration Erneuerbarer Energien Ausgleich von Fluktuationen bei der Stromversorgung flexibler Strombedarf Verwertung von Überschüssen Vermeidung von Netzengpässen Verwendung von Strom vor Ort alternativer Transportweg im Gasnetz CO2Reduktion bei Wärme, Chemie und Verkehr Überführung von Überschüssen in andere Sektoren Steigerung der Nachfrage nach EEStrom 3

4 Ausgleichsbedarf in der Stromversorgung geordnete Dauerlinie der Residuallast bei hohen EEAnteilen Residuallast [GW] rund 2500 Stunden mit Überschüssen Quelle Daten: Krzikalla et al Jahresstunden immer häufiger Überschüsse, die genutzt werden sollen Zeiträume mit Unterdeckung, die überbrückt werden müssen, dominieren 4

5 Analysierte Speicherketten Stromüberschuss Wärmepumpe Elektrokessel Elektrolyseur Wärme H 2 Wärme Wärmenetz Gaskessel KWKAnlage SPEICHER eingespartes Gas (virtueller Energiefluss) eingespartes Gas (virtueller Energiefluss) H 2 Methanisierung Gasnetz H 2 KWKAnlage CH 4 CH 4 Wärmebedarf mit speicher Wärme Stromunterdeckung 5

6 Modellierung in MuGriFlex stundengenaue Simulaton der Speicherketten über ein Jahr anhand von variierenden Strompreisen und Wärmebedarf 6

7 Einsatzplanung in MuGriFlex Wärmebedarf Strompreis 7,00 6,00 5,00 Wärmeleistung [kw] EK GK KWK Speicher Speicher 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Strompreis [ct/kwh] 0 1,00 Einsatz der günstigsten Wärmeversorgungsoption unter Berücksichtigung von Speicherkapazität und RampingKosten 7

8 Anlagenparameter Mittleres Wärmenetz mit KWKAnlage, Gaskessel und Speicher Kombination mit Elektrokessel, Wärmepume oder Elektrolyseur Anlage Parameter Einheit mittleres Wärmenetz thermische Leistung kw th Elektrokessel Arbeitszahl kw th 0,99 Investitionskosten thermische Leistung kw th Wärmepumpe Arbeitszahl kw th 2,8 Investitionskosten thermische Leistung kw th KWKAnlage elektrische Leistung kw el Investitionskosten thermische Leistung kw th Effizienz (heute / Zukunft) % 54 / 70 PEM Elektrolyseur Investition (heute / /kw / Zukunft) thermische Leistung kw th Effizienz (heute / Zukunft) % 67 / 70 AL Elektrolyseur Investition (heute / /kw / 870 Zukunft) thermische Leistung kw th Effizienz (heute / Zukunft) % 77 / 77 SO Elektrolyseur Investition (heute / /kw 930 / 280 Zukunft) Gaskessel thermische Leistung kw th Wärmespeicher thermische Leistung kwh th Investitionskosten Wärmenetz Wärmebedarf MWh th /a thermische Spitzenlast kw th

9 Wesentliche Einflussfaktoren der Betriebsführung Strompreis (DayAhead / Minutenreserve) Förderung Abgaben KWKAnlage Elektrolyseur Wärmepumpe Elektrokessel Methanisierung Gaspreis (Endkunden) 9

10 Variation der Stromabgaben I Wärmeketten 2012: DayAhead Markt Bietriebsstunden [h/a] EK EK +WP WP (2.000) (4.000) (6.000) (8.000) KWK (+EK) (+WP) Abgaben und Umlagen [ct/kwh] Auslastung und Amortisation verschlechtern sich durch die Kombination mit Elektrokessel und Wärmepumpe Amortisation [a] 10

11 Variation der Stromabgaben II Wärmeketten 2012: DayAhead Markt + Minutenreserve Bietriebsstunden [h/a] KWK (+ Regel) +EK EK +WP EK + Regel WP + Regel WP (2.000) 15 (4.000) KWK (+EK) (+WP) 10 (6.000) 5 (8.000) Abgaben und Umlagen [ct/kwh] Auslastung verändert sich kaum durch Regelenergie Amortisation verbessert sich nur geringfügig durch Regelenergie Amortisation [a] 11

12 Variation der Stromabgaben III Wärmeketten in Zukunft Betriebsstunden [h/a] EK KWK (+EK) (+WP) WP (2.000) (4.000) (6.000) (8.000) KWK (+EK) (+WP) Abgaben und Umlagen [ct/kwh] Amortisation [a] höhere Betriebsstunden für Elektrokessel und Wärmepumpen Auslastung und Amortisation des KWKSystems verschlechtert sich 12

13 Variation der Stromabgaben IV Wärmeketten 2012: anteilige Abgaben Betriebsstunden [h/a] EK WP KWK (+EK) (+WP) KWK (+EK) (+WP) Aufschlag [%] Amortisationszeit [a] höhere Betriebsstunden für Elektrokessel und Wärmepumpen Auslastung und Amortisation des KWKSystems verschlechtert sich 13

14 Variation der Stromabgaben V Gasketten (SOElektrolyse) 2012 und in Zukunft Betriebsstunden [h/a] Zukunft Zukunft Amortisation [a] Abgaben und Umlagen [ct/kwh] Gasketten auch unter künftigen Bedingungen kaum wirtschaftlich bei Förderung wirtschaftlich, aber mit hohen Betriebsstunden 14

15 Wesentliche Einflussfaktoren der Betriebsführung Strompreis (DayAhead / Minutenreserve) Förderung Abgaben KWKAnlage Elektrolyseur Wärmepumpe Elektrokessel Methanisierung Gaspreis (Endkunden) 15

16 Variation des KWKGZuschlags Wärmeketten 2012 und in Zukunft Volllaststunen [h/a] (2.000) (4.000) (6.000) (8.000) Zukunft Zukunft WP EK KWK(+WP) (+EK) Gesamtsystem (KWK+EK /+WP) bei gegenwärtigem KWKGZuschlag nur eingeschränkt wirtschaftlich auch bei extremeren Strompreisen KWK KWKGZuschlag [ct/kwh] Amortisationszeit [a] 16

17 Wesentliche Einflussfaktoren der Betriebsführung Strompreis (DayAhead / Minutenreserve) Förderung Abgaben KWKAnlage Elektrolyseur Wärmepumpe Elektrokessel Methanisierung Gaspreis (Endkunden) 17

18 Variation des Gaspreises III Gasketten (SOElektrolyse) 2012 und in Zukunft Betriebsstunden [h/a] (2.000) (4.000) (6.000) Zukunft Zukunft Amortisationszeit [a] (8.000) Gaspreis [ct/kwh] bessere Auslastung und Amortisation bei hohen Gaspreisen Wirtschaftlichkeit nur bei sehr hohen Gaspreisen erreicht 18

19 Variation des Gaspreises I Wärmeketten 2012 Betriebsstunden [h/a] (2.000) (4.000) KWK EK WP KWK +EK KWK +WP Amortisationszeit [a] (6.000) 5 (8.000) Gaspreis [ct/kwh] Schlechtere Auslastung und Amortisation von Gaskessel und KWK Wärmepumpe wird bei hohen Gaspreisen wirtschaftlich 19

20 Variation des Gaspreises II Wärmeketten in Zukunft Betriebsstunden [h/a] (2.000) (4.000) (6.000) KWK EK WP KWK (+EK) KWK + WP Amortisationszeit [a] (8.000) Gaspreis [ct/kwh] 0 ähnliche Auslastung und Amortisation bessere Wirtschaftlichkeit bei leicht höheren Gaspreisen 20

21 Schlussfolgerungen nur wenige Speicherketten unter gegenwärtigen Bedingungen wirtschaftlich Systemdienlichkeit eher zufällig angemessene Bedingungen müssen aktiv geschaffen werden (entwickeln sich nicht automatisch) stärkerer Preisspread und niedrigere Investitionskosten reichen nicht Abgaben, Förderung und Gaspreise haben einen starken Einfluss Wechselwirkungen bei Anpassung der Bedingungen zu berücksichtigen höhere Auslastung von EK und WP zulasten der KWKAnlage und der gesamten Amortisation Systemdienlichkeit nur durch Betrieb der Anlagen zur richtigen Zeit zeitabhängige Systeme, wie etwa Regelenergiemarkt oder anteilige Abgaben, vielversprechender als generelle Mechanismen 21

22 Ausblick weitere Forschungsvorhaben in diesem Themengebiet Folgeprojekt zusätzliche Technologien: elektrische Betriebsmittel im Gasnetz, Elektromobilität Iteration mit Betrachtung des Gesamtsystems verbesserte Darstellung der Märkte und Rahmenbedingungen PowertoX zusätzliche Perspektive auf Nachhaltigkeit im Verkehrssektor und in der Chemieindustrie Innovation und Wertschöpfung Chancen für den Wirtschaftsstandort Deutschland durch PowertoGas, Brennstoffzellen und Batterien 22

23 DANKE FÜR IHRE ZEIT UND AUFMERKSAMKEIT. Stellen Sie gerne noch Fragen. Christine Brandstätt M.Sc. Fraunhofer IFAM Energiesystemanalyse +49 (0)

24 Backup: StrompreisSzenarien SpotPreis [ /MWh] Zukunft Spot 2014 Spot 2025 Spot 2012 Reg (MW) 2012 Reg (MWh) 2012 Reg (+MW) 2012 Reg (+MWh) 150 extremere Preise in den Zukunftsszenarien deutlichere Preisausschläge im Regelenergiemarkt 24