netconomica Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Dr. Andreas Schnauß Berlin, 17. April 2013

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1 netconomica Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Dr. Andreas Schnauß Berlin, 17. April

2 AGENDA Anforderungen an die Strom- und Wärmeversorgung - Wärme: Hohes Verbesserungspotenzial bei ineffizienten Heizkesseln - Strom: Stark fluktuierende Energie muss integriert werden Funktionsweise Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Anforderungen an die Ausgestaltung für Wind zu Fernwärme 2

3 AGENDA Anforderungen an die Strom- und Wärmeversorgung - Wärme: Hohes Verbesserungspotenzial bei ineffizienten Heizkesseln - Strom: Stark fluktuierende Energie muss integriert werden Funktionsweise Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Anforderungen an die Ausgestaltung für Wind zu Fernwärme 3

4 Wärmemarkt: die Wärmeerzeugungsseite ist alt/ineffizient und verwendet wenig erneuerbare Energien (Deutschland) Viele alte und wenig effiziente Anlagen Besonders beim Öl nur geringe Effizienzen = Brennwertkessel Sehr hohes Verbesserungspotential vorhanden 4

5 » Anteile erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland Quelle: BMU 2011 AGFW Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V.

6 » Warum tut sich der Wärmemarkt schwieriger wie der Strommarkt mit den Erneuerbaren? Strom: Wärme: Solar- und Heizungsprofil korreliert wenig Windwärmeturbinen gehen nicht Waserwärmeturbinen gehen nicht AGFW Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V.

7 Fernwärme bringt Effizienz und Erneuerbare Energien in die Städtische Versorgung und verbessert insbesondere auch den Gebäudebestand Effizienz: Nutzung von KWK Nutzung regenerativer Energien ca. 90 % 9 % EE 1) Ca. 1% Ca. 1% Objektversorgung Heizkessel Fernwärme Objektversorgung Heizkessel Fernwärme Im wesentlichen Im wesentlichen Im wesentlichen Gebäudebestand Gebäudeneubau Gebäudebestand Quellen: Statistisches Amt 1) Ohne Biogas 7

8 AGENDA Anforderungen an die Strom- und Wärmeversorgung - Wärme: Hohes Verbesserungspotenzial bei ineffizienten Heizkesseln - Strom: Stark fluktuierende Energie muss integriert werden Funktionsweise Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Anforderungen an die Ausgestaltung für Wind zu Fernwärme 8

9 Strom: Erneuerbare Energien zeigen eine deutliche Entwicklung 9

10 Leistung [MW] Integration fluktuierender Energie ist eine neue Herausforderung für die Übertragungsnetze (Systemstabilität/Versorgungssicherheit) Netzlast, Windenergieprognose und Windenergieeinspeisung in Ost-Deutschland ( ) Verläufe im Übertragungsnetz der 50Hertz ( ) Prognose Wind Einspeisung Wind eingetretene Regelzonenlast Last 2 1 Abweichung Prognose Windstille Gradient Produktion > Last Wind Energy Feed-in Datenquelle: 50Hertz Transmission 10

11 Entwicklung der Einspeiseprofile der Erneuerbaren Erneuerbare Erzeugung Sehr hohe Lastspitzen bei - PV - Wind onshore Bereits heute müssen Windstromüberschüsse abgeregelt werden Spätestens 2015 zeitweise mehr Erneuerbare Stromproduktion als Stromverbrauch insbesondere aufgrund PV 11 Virtuelles Kraftwerk Dr. Andreas Schnauß Wie können die Erneuerbaren-Überschüsse genutzt werden? oder wird das Abregeln der Spitzen deutlich steigen? Problematik PV-Abregelung

12 Maßnahmen zur Integration der erneuerbaren Energien sind erforderlich Netzausbau Flexiblere Erzeugung konv. Kraftwerke Smart Grid / Lastmanagement Energiespeicher Intelligente Konzepte für den Strom lassen sich insbesondere auch durch die Kombination/Kopplung mit dem Wärmemarkt realisieren: - KWK und Fernwärme - Virtuelle Kraftwerke für BHKW und Wärmepumpen - Wärmespeicher - Wind zu Wärme EEG-Flexibilisierungen/Modifikationen 12

13 Konsequenzen für die Einsatzweise der Stromerzeugung Einsatzweise muss auf die Integration der Erneuerbaren ausgerichtet werden Kurzeitig wenig(er) Leistung produzieren wenn Überschüsse Erneuerbarer im Strom Kurzeitig volle Leistung bei dunkler Flaute Online-Ausregeln im Stromnetz Großanlagen zeigen hier bereits deutliche Beiträge ( smarte Fahrweise ), da die Fahrweise am Börsenpreis orientiert ist und der Börsenpreis bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien niedrig ist Problemstellung BHWK und Wärmepumpen - Rein wärmeorientierte Fahrweise - KWKG motiviert BHKW s zur Eigenversorgung automatische Integrationswirkung des Börsenpreises entfällt BHKW fährt gegen den Einkaufspreis der Versorgungsstelle (inklusive Netzentgelten, Steuern etc.) und ist damit motiviert möglichst viel zu fahren, ob Überschüsse erneuerbarer Energien vorhanden sind oder nicht Rund um die Uhr Produktion Die Einsatzweise von BHKW und Wärmepumpen ist damit i.d.r. unsmart und trägt nicht für die Integration der Erneuerbaren in das Stromsystem bei 13

14 KWK bietet für die Energiewende gute Voraussetzungen KWK ist lastnah ( dezentral ) KWK bietet Stromkapazität KWK verknüpft den Strom und Wärmemarkt KWK lässt sich durch Wärmespeicher und Wind zu Wärme (noch) zukunftsfähiger machen 14

15 Strom Erneuerbare = i.d.r. lastfern KWK immer lastnah (dezentral) - Erneuerbare werden Zentral und brauchen Netzausbau - nur KWK ist immer verbrauchernah und entlastet die Stromnetze 15 Virtuelles Kraftwerk Dr. Andreas Schnauß

16 Strom: Erneuerbare und KWK harmonieren sehr gut miteinander KWK und Erneuerbare gehen sich prinzipiell gut aus dem Weg Integration PV: - KWK und PV sind von Natur aus antizyklisch (Wärme/KWK im Winter - PV im Sommer) - Gleichzeitigkeit mit KWK ist gering - KWK Anlagen können sehr gut zur nächtlichen Ausregelung im Sommer beitragen Wind: - Windprofile und KWK Profile harmonieren relativ gut - Beispiel Dänemark zeigt: Es geht über 40% KWK und über 19% Wind im Jahresanteil - kurze moderate Sturmfronten lassen sich gut durch KWK Anlagen/Fernwärme ausregeln Biomasse: - Teil der Biomasseproduktion ist KWK - keine Überschneidungsproblematik da die Stromproduktion die Gleiche ist - Biomasse ist ideal zu regeln aber leider bisher nur geringe Ansätze/Motivation dies zu nutzen 16

17 AGENDA Anforderungen an die Strom- und Wärmeversorgung - Wärme: Hohes Verbesserungspotenzial bei ineffizienten Heizkesseln - Strom: Stark fluktuierende Energie muss integriert werden Funktionsweise Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Anforderungen an die Ausgestaltung für Wind zu Fernwärme 17

18 Zusätzliche Steigerung der Integration bei KWK und Fernwärme Neue Maßnahmen/Optionen zur weiteren Flexibilitätserhöhung vorhanden - Wärmespeicher - Wind und PV zu (Fern)Wärme / Elektro- Heizsysteme von besonderer Ökoqualität Funktionsprinzip: Nutzung regenerativer Strom-Überschüsse in der Fernwärme Vorteile: - Relativ einfache Einsatzweise an den regenerativen Überschüssen ausrichtbar - Elektrische Heizsysteme können direkt und ohne Umwege Primärenergie einsparen hohe Wirkungsgrade und Effizienz Die Energiespeicherung erfolgt beim Gas im Gasnetz bei Kohle/Biomasse auf dem Lagerplatz. Die so eingesparten Brennstoffe ob nun fossil oder erneuerbar können später zur Stromerzeugung genutzt werden. 18

19 Zur Integration von Strom aus erneuerbaren Energien sind Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme attraktive Lösungen 19 Virtuelles Kraftwerk Dr. Andreas Schnauß

20 Optionen zur weiteren Flexibilisierung von KWK und Fernwärme Wärmespeicher Wärmespeicher Funktionsprinzip: Entkopplung der Strom- und Wärmeabgabe bei der KWK Vorteile: Wärme kann viel einfacher wie Strom gespeichert werden. 20

21 Optionen zur weiteren Flexibilisierung von KWK und Fernwärme Wind/PV zu (Fern)Wärme Heizsysteme Wind/PV zu (Fern)Wärme Heizsysteme: Funktionsprinzip: Elektro-Heizsysteme von besonderer Ökoqualität Nutzung regenerativer Strom-Überschüsse in der Fernwärmeanwendung. Vorteile: - Relativ einfache Einsatzweise an den regenerativen Überschüssen ausrichtbar - Elektrische Heizsysteme können direkt und ohne Umwege Primärenergie einsparen. hohe Wirkungsgrade und Effizienz - Die Energiespeicherung erfolgt beim Gas im Gasnetz bzw. bei Kohle oder Biomasse auf dem Lagerplatz. Die so eingesparten Brennstoffe ob nun fossil oder erneuerbar können später zur Stromerzeugung genutzt werden. 21

22 KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Standartanwendung der KWK Normales Windaufkommen Stromnetz Brennstoff KWK Anlage KWK-Wärme Wärmeverbraucher

23 KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Flexibilitätserhöhung durch - Wärmespeicher - Wind/PV zu Wärme Normales Windaufkommen Stromnetz Brennstoff KWK Anlage KWK-Wärme Wärmeverbraucher Wärmespeicher Elektro- Kessel

24 KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Flexibilitätserhöhung durch - Wärmespeicher - Wind/PV zu Wärme Sehr hohes Windaufkommen Stromnetz Freigabe durch Stromnetzbetreiber zum Einsatz des Windheizers statt die Windanlagen abzuregeln Brennstoff KWK Anlage Brennstoff wird gespart (bleibt im Gasnetz oder auf dem Lagerplatz) Primärenergieeinsparung oder indirektes Biomethan Wärmeverbraucher Wärmespeicher Strom Elektro- Kessel Elektro-Wärme

25 Damit kann man genaugenommen nicht von Hybridnetzen reden sondern muss mindestens den Begriff Tribrid-System verwenden Es erfolgt eine Verknüpfung von: - Strom-Erzeugung (Wind, PV, KWK-Strom) - Stromnetz - Fernwärmesystem - Gasnetz und -Speicher Stromsystem überregional Fernwärmesystem regional Gassystem überregional Der überschüssige EE-Strom erzeugt in der Kette virtuelles erneuerbares Gas, dass im Gassystem gespeichert wird. Dies erfolgt über die dezentralen Fernwärmesysteme.

26 Funktionsweise von Wind zu Wärme und Wärmespeicher am Beispiel der zu erwartenden Herausforderungen Windeinspeisung und Residuallastverlauf am 3-9.Februar 2009 Projektion auf 2020 GW (installierte WEA: 24 GW) GW (installierte WEA: 45 GW) Steigende Nachfrage ~30 GW fallende Windeinspeisung Di Mi Do Fr Sa So Mo ~50 GW Di Mi Do Fr Sa So Mo Starke Lastrampe: -> schnelles Anfahren der KWK-Anlagen oder auch nur der Gasturbinen der GuD`s Versorgungssicherheit Stromnachfrage Windeinspeisung Residuale Last 26 Hoher Strombedarf: = Viel Verbrauch und wenig Erneuerbare Wärmespeicher wird mit KWK vor geladen Entlastung in windreichen Zeiten: Wärme fährt aus Speicher (Entladung) Wind zu Wärme (Brennstoff wird gespart) Windstromüberschüsse werden reduziert 26

27 AGENDA Anforderungen an die Strom- und Wärmeversorgung - Wärme: Hohes Verbesserungspotenzial bei ineffizienten Heizkesseln - Strom: Stark fluktuierende Energie muss integriert werden Funktionsweise Wärmespeicher und Wind zu Fernwärme Anforderungen an die Ausgestaltung für Wind zu Fernwärme 27

28 Problemstellungen beim rechtlichen Rahmen für Wind zu Fernwärme - EnEV: Primärenergiefaktor zum Heizen aus Strom liegt derzeit bei 2,6; dies führt zur Verschlechterung des PEF von Fernwärmesystemen Ansatz von Null als PEF, wenn nachgewiesen (durch Übertragungsnetzbetreiber), dass der Einsatz zu Zeiten von Windstromüberschüssen erfolgte - Entgeltpflicht für genutzten Strom: Behandlung von Power2Heat unklar (Stromsteuer, EEG-/KWK-Umlage, Netzentgelte etc.) Kein Umlagen, wenn nachgewiesen (durch Übertragungsnetzbetreiber), dass der Einsatz zu Zeiten von Windstromüberschüssen erfolgte - KWK-G: Geringere Auslastung der KWK-Anlagen kann die KWK-Quote in Verbindung mit Wärmenetzförderung beeinträchtigen Zusätzliche Problemstellung im KWKG: Eigenversorgungs-KWK wird zu stark motiviert - EEWärmeG: Anerkennung von Fernwärme als Ersatzmaßnahme kann durch geringeren Einsatz von KWK-Anlagen gefährdet werden (Anteil von 50 % Wärme aus KWK-Anlagen im Wärmenetz) 28