Die Energieversorgung von morgen Funktionsweise und Technologien

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1 Die Energieversorgung von morgen Funktionsweise und Technologien Architektenkongress Mai bis 1. Juni 2014 Venedig Dr. Kurt Rohrig Fraunhofer IWES

2 Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Fraunhofer IWES Kassel Direktor: Prof. Dr. Clemens Hoffmann Fraunhofer IWES Nordwest Direktor: Prof. Dr. Andreas Reuter Jährliches Budget: ca. 32 Mio. Euro Personal: ca. 500

3 Fraunhofer IWES Kassel Kernkompetenzen für die Energiesystemtechnik Energiewirtschaft und Systemdesign Systemintegration Energienetze Energiesystemtechnik Energieinformatik Energiespeicher- Systemtechnik Energiemeteorologie und Erneuebare Ressourcen

4 Einleitung

5 Energiebilanz der Transformation des Energiesystems Substitution fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energieträger Reduzierung des Energieverbrauchs durch Effizienzmaßnahmen

6 Energiebedarf und Energiemix Ableiten des EE-Strommixes Ableiten der Kapazitäten Geschätzte Kosten ca Mrd Euro (keine Brennstoffkosten!) Ausgaben für Primärenergieimporte ca. 90 Mrd Euro pro Jahr Können die Energiequellen Wind und Sonne diese Anforderung erfüllen?

7 Windenergie - Anlagenentwicklung

8 Windenergie - Anlagenentwicklung

9 Technologieentwicklung Windenergie Intelligente Rotorblätter [ Automatisierte Produktion Neue Werkstoffe & Bauweisen Neue Generatorkonzepte [ ] Optimierte Aerodynamik & Aeroakustik [TU Delft] [TU Delft] Lokale Regelung am Blatt Regelung und Betriebsführung

10 Windenergie offshore, Meeresenergie Größenvergleich 1MW-Anlagen

11 Windenergie onshore Hohe Türme ermöglichen gute Erträge

12 Windenergie onshore Hohe Türme ermöglichen gute Erträge

13 Nutzbare Flächen in Deutschland Flächen bezogen auf Deutschland 7% nutzbar 5% Wald 10% Schutzgebiete nicht nutzbar 78%

14 Nutzbare Flächen in Deutschland 2% der Landesfläche Flächen ergeben bezogen 200 GW auf Deutschland dazu kommen 54 GW auf See 7% nutzbar 5% Wald 10% Schutzgebiete nicht nutzbar 78%

15 Photovoltaik: Größenstruktur des Zubaus [MW] [in Anlagen] > kw > 100 kw, kw > 30 kw, 100 kw > 10 kw, 30 kw 10 kw * * *2014 geschätzt

16 Freiflächen Photovoltaikanlagen 29.1 Megawatt-Solarpark zwischen den deutschen Städten Eisleben und Wimmelburg 19.1 Megawatt-Solarpark bei Kassel

17 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Smart Home

18 Gebäudeintegrierte Photovoltaik Smart Home Gebäudemanagement synchronisiert Erzeugung und Verbrauch

19 An der Schwelle zum Zeitalter von Transport und Speicher P EE heute 100% EE Erneuerbare/fluktuierende Einspeisung Fossile Energieträger t P Fossil P Überschuss Energie A EE EE Ausgleich Fossil t t

20 Großräumiger Ausgleich durch Stromtransport über weite Stecken Reelle Netzteile 380/220kV H T T

21 Großräumiger Ausgleich durch Stromtransport über weite Stecken Reelle Netzteile 380/220kV H T T

22 Speicher- und Transportkapazitäten bei einer Vollversorgung durch EE

23 Überregionaler Stromaustausch und -transport Systemsimulation (Kombikraftwerk 2): Überregionaler Austausch

24 Überregionaler Stromaustausch und -transport Systemsimulation (Kombikraftwerk 2): Überregionaler Austausch

25 Regionales Energiemanagement mit Virtuellen Kraftwerken VK Kontrollkommunikation Markt- und Konfigurationskommunikation P Δ P P Kopplung aller Komponenten mit Virtuellen Kraftwerken: Regenerative Modellregion Harz

26 [MW] [%] [MW] Regionales Energiemanagement mit Virtuellen Kraftwerken Berücksichtigung der lokalen/regionalen Wärmeversorgung: Beispiel Siedlung Betrieb der KWK-Anlage nach Spotmarktpreisen 1. Kombinierte Wärmeerzeugung 2. Wärmespeicher für stromgeführten KWK-Betrieb 3. Kombinierte Stromerzeugung Boiler KWK Wärmespeicher Wärmebedarf Füllstand Wärmespeicher Wind Solar KWK Stromverbrauch Datum Steuerung, Ausgleich und Vermarktung

27 Wind- und Solarstromprognose Schlüsselelement der Integration Kurzfrist (1-4 Stunden): Netzbetrieb, Intraday-Handel, Virteulle Kraftwerke Folgetag (12-96 Stunden): EEG-Bilanzkreis, Direktvermarktung, VK Langfrist (Wochen 12 Monate): Energiehandel, Regelleistungsmarkt Prognosen unterstützen fast alle Bereiche der Integration - bisher unterbewertet

28 Leistung [GW] Leistung [GW] Flexibilitätsoption - Lastmanagement residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen /09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat Volllaststunden [h] Bestehende Verbraucher (Nachtspeicher, el. Trinkwarmwasser, weiße Ware) Neue Verbraucher (E-KFZ, E-WP, Klimatisierung) Industrielles Lastmanagement

29 Flexibilitätsoption Energiemanagement im Haushalt Strom PV-Strom ~ = Wärme/ Kälte Energiemanagement Gas ~ Wärme Mobilität Elektrische Leistung aus Solar und Windkraftanlagen kann über Wärmepumpen in Form von Wärme oder Kälte gespeichert werden Dezentrale Energiemanagementsysteme können hierfür eingesetzt werden und benötigen hierzu Informationen zur Residuallast-Situation Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr ist entscheidend

30 Megawatt-Batterien im Smart Grid und für Ausgleichsenergie Stationäre Batteriespeicher werden eine wichtige Rolle spielen

31 Megawatt-Batterien im Smart Grid und für Ausgleichsenergie Stationäre Batteriespeicher werden eine wichtige Rolle spielen

32 Residuallast (GW) Eine rein regenerative Energieversorgung hat einen sehr großen Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau 60 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 Ausgleich notwendig Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Kapazität und Leistung Gasspeicher heute Monat Gasspeicher = 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE 42 Mio. E-KFZ Idealfall Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)

33 Power-to-Gas als Schlüssel zur Vollversorgung Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz

34 Gewährleistung der Systemstabilität Frequenzstabilität, Regelleistung f [Hz] Hauptanteil der PRL: PV, Elektrolyseure, Batterien Hauptanteil der PRL: Wind Hauptanteil der PRL: Methan, PSW Frequenzeinbruch nach 600 MW Kraftwerksausfall

35 Research and solutions for a sustainable world. Innovationsnetzwerk»Morgenstadt: City Insights«Systeminnovationen für die Stadt der Zukunft Phase II ( ) Januar 2014

36 Systemischer Ansatz für innovative Stadtgestaltung mit 10 Fraunhofer-Instituten und Value-Partnern. Geschäftsmodelle Akteure System- Kompetenz Prozess- Kompetenz Prozesse Information & Kommunikation Fraunhofer FOKUS Sicherheit & Schutz Fraunhofer IFF Ressourcenkreisläufe Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer ISC Economic Development & Business Innovation Fraunhofer IAO, ETG, LSE Cities Schnittstellen Governance & Planung Fraunhofer IAO Energie Fraunhofer IWES Mobilität & Verkehr Fraunhofer IAO Technologien Wasser Fraunhofer IGB, Fraunhofer ISI Produktion & Logistik Fraunhofer IML, Fraunhofer IPA Bauen & Gebäude Fraunhofer IBP

37 Fazit Eine sichere und stabile Stromversorgung Deutschlands aus 100% erneuerbaren Quellen ist in Zukunft technisch möglich, wenn erneuerbare Erzeugung, Speicher und Backupkraftwerke mit erneuerbarem Gas intelligent zusammenwirken Die Stromerzeugung aus Wind und Sonne wird nicht nur Rückgrat der klassischen Strombereitstellung sondern spiel auch eine zentrale Rolle für Wärmeversorgung und Mobilität Regionales Energiemanagement spielt eine ebenso wichtige Rolle wie der Stromtransport über weite Strecken Fluktuierende Energiebereitstellung erfordert ein hohes Maß an Flexibilität im Energieversorgungssystem Die Stadtentwicklung spielt eine Schlüsselrolle bei der Transformation Das Fraunhofer IWES bietet für eine Vielzahl von Fragestellungen entsprechende Lösungen und Beratung an

38 Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik advancing wind energy and energy system technology Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Gründung: Mitarbeiter: ca. 500 Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Clemens Hoffmann Dr. Kurt Rohrig Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Stellvertretender Institutsleiter +49(0) kurt.rohrig_at_iwes.fraunhofer.de

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