Entwicklungspotenziale Erneuerbarer Energien - Der Weg bis

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1 Entwicklungspotenziale Erneuerbarer Energien - Der Weg bis Kongress Energieeffizientes Bauen Mai 2014 Hansjürgen Krist, Markus Hertel, Roland Schipf, Michael Schönemann, Prof. Dr. Wolfgang Rommel

2 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 2

3 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 3

4 Die Ziele der Bundesregierung: Energiekonzept 2010 Ausstieg aus Atomenergie bis 2022 Senkung der THG Emissionen Erhöhung des Anteils Erneuerbarer Energien Ziel Senkung THG - 40 % - 55 % - 80 % Erhöhung Anteil EE + 18 % + 30 % + 60 % Senkung PEV - 20 % % Energieversorgung soll umweltschonend, zuverlässig und bezahlbar bleiben Folie 4

5 Ausgangssituation: weltweite Betrachtung Welt-Primärenergiebedarf: rd kwh/a 140 Billionen Kilowattstunden pro Jahr Deutschland ~ 4 Billionen kwh/a OECD Länder ~ 20 Billionen kwh/a Quelle: Folie 5

6 Situation weltweit - Potentialanalyse Welt-Primärenergiebedarf: rd kwh/a 140 Billionen Kilowattstunden pro Jahr Deutschland ~ 4 Billionen kwh/a OECD Länder ~ 20 Billionen kwh/a Folie 6

7 Endenergiebedarf in Deutschland: Strom, Wärme, Kraftstoffe Strom: ~ kwh/a ~ 21 % des Endenergiebedarfs Folie 7

8 Endenergiebedarf in Deutschland: Strom, Wärme, Kraftstoffe Strom: ~ kwh/a; ~ 21 % EEB Wärme: ~ kWh/a; ~ 45 % EEB Kraftstoffe: ~ kwh/a; ~ 34 % EEB Fokussierung im Folgenden auf Strom, dem hochwertigsten Energieträger: Warum? - Stromerzeugung mit EE findet hauptsächlich dezentral, aber oftmals räumlich getrennt vom Verbrauch statt an günstigen Standorten (Wind, PV, Biogaserzeugung, Wasserkraft, ). - Die Stromerzeugung mit EE baut zukünftig Überkapazitäten auf, um den tatsächlichen Deckungsanteil zu erhöhen. An bspw. wind- und sonnenreichen Tagen werden Überschüsse erzeugt mit denen umgegangen werden muss. Die Transformation in Wärme und andere Energieträger (power to gas) spielt hierbei eine Rolle. - Wärme ist relativ leicht speicherbar und wird i.d.r. in direkter räumlicher Nähe zum Verbraucher produziert: Hierfür sind Wärmenetze und Einzelobjektbetrachtungen durchzuführen. Strom ist hingegen in größeren Systemen anzugehen, da diese Energieform nur schlecht gespeichert werden kann und deswegen zeitgleich produziert und verbraucht werden muss Folie 8

9 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 9

10 Ausbauziele bis 2050: Bruttostromerzeugungspotenzial aus EE Warum? Quelle: bifa Umweltinstitut Folie 10

11 Situation und Prognose für Deutschland: Bruttostromerzeugungspotenzial aus EE PV: Moderater Ausbau bis ca Großen Einfluss auf Netzstabilität (von rd. 5 % auf bis zu 10 %) Biomasse: Moderater Ausbau bis 2020 Begrenzte Ressourcen (Teller / Tank; 0,25 ha/ew) (von gut 6 % auf bis zu 10 %) Wind: Größter Hoffnungsträger; kontinuierlicher Ausbau bis 2050 (von 8,5 % auf Endausbau > 40 %) Quelle: bifa Umweltinstitut Geothermie: Ausreifung der Technologie und ab 2040 verstärkter Ausbau vorgesehen (von nahezu 0 % auf bis zu 10 %) Folie 11

12 Situation Deutschland: Heute Quelle: bifa Umweltinstitut Anteil EE an der Stromerzeugung: rd. 25 % Derzeit kann der Strom aus EE komplett im deutschen Stromnetz zeitgleich verbraucht werden, würde das Stromnetz dies zulassen Regional kann es bei wind- und sonnenreichen Tagen zu Überschüssen führen Wichtig: zügiger Netzausbau und intelligentes Lastmanagement Folie 12

13 Situation Deutschland: Heute Anteil EE an der Stromerzeugung: rd. > 80 % Überschuss im Jahr: rd. > % Ab 2030/40 Wärmeerzeugung mittels Strom verstärkt möglich, da u. a. Geothermie und Wind auch im Winter große Anteile an Strom erzeugen! Quelle: bifa Umweltinstitut Folie 13

14 Situation Deutschland: Heute Anmerkung: - heute: Strom aus EE wird dezentral, oftmals in ländlichen Regionen erzeugt und muss über mehrere Netzebenen transformiert werden um in größere Ballungsräume zu gelangen - Folge: Vollständige Nutzung des EE Stroms scheitert bisweilen an Netzengpässen insbesondere im Höchstspannungsnetz. Dies behindert die Verteilung des Wind- und Sonnenstroms Folie 14

15 Ausblick Stromversorgung Deutschland: Restlast Quelle: eigene Berechnungen Im Jahr 2030 wird deutschlandweit an rd h/a mehr Strom produziert als benötigt wir Bedarf an negativ Lasten nimmt zu Folie 15

16 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 16

17 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 1: DSM // SMART grid: Flexibilisierung der Nachfrage in Industrie und Haushalten Lasterhöhung: Erzeugung von (Vorrats-)Kälte und Wärme in Haushalten und Industrie (bspw. Kühlschränke, Wärmepumpen, ) Lastreduktion: gezieltes Abschalten von Geräten (bspw. Kühlschränke, Wärmepumpen, ) Folie 17

18 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 1: Demand Side Management (DSM) DSM Industrie Geschätztes Potential in Deutschland +2 / -0,7 GW [DENA] +0,5 / -4,4 [VDE] Bemerkung Kurzfristig und kostengünstig nutzbares Potential; höheres Potenzial für Abschaltungen im Minutenbereich, allerdings dort auch hohe Kosten DSM Haushalte +0,6 GW / -2,3 GW Ohne Wärmepumpen DSM Haushalte elektrische Wärmpumpen max. +0,45 GW (Winter) / -2,2 GW (Sommer) Quelle ecofys, prognose, Folie 18

19 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 2: Flexibilisierung von KWK Anlagen Überschussstrom wird direkt zur Wärmeerzeugung eingesetzt Folie 19

20 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 2: Flexibilisierung von KWK Anlagen Überschussstrom wird direkt zur Wärmeerzeugung eingesetzt Geschätztes Potential in Deutschland Bemerkung Überschussstrom zu Wärme Mehr als -10 GW Nur negative Leistung, abh. vom Wärmebedarf Folie 20

21 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 3: Flexibilisierung von Erzeugungsanlagen sichert Netzstabilität Minimierung der Erzeugerlast in überlastungsgefährdeten Netzbereichen (z. B. Dachwindanlage, PV-Dachanlagen) Beispiel Stadt Friedberg: Verteilnetzebene Folie 21

22 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 3: Flexibilisierung von Erzeugungsanlagen sichert Netzstabilität Minimierung der Erzeugerlast in überlastungsgefährdeten Netzbereichen (z. B. Dachwindanlage, PV-Dachanlagen, Biogasanlage) Beispiel Stadt Friedberg: MS- und Verteilnetzebene Abschalten von z. B. PV-Anlagen Hinzuschalten von z. B. BGA Folie 22

23 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahme 3: Flexibilisierung von Erzeugungsanlagen sichert Netzstabilität Einspeisemanagement Wind & PV? Strombedarfsorientierter Einsatz Biogas und Biomasse Geschätztes Potential in Deutschland Max. +/- 16 GW bis 2030 Bemerkung Nur negative Leistung; bei gedrosselter Fahrweise auch positive Regelleistung möglich Folie 23

24 Beispiel Minimierung Erzeugerlastspitzen von PV Dachanlagen Ost-West Ausrichtung von Dach-Photovoltaikanlagen: Die Ost-West-Ausrichtung von Photovoltaikanalgen wird mittlerweile Empfohlen, da sie zu weniger steilen Lastprofilen führt. Für Dachanlagen bedeutet dies, dass Häuser mit Ost-Westdächern mittlerweile als Vorteilhaft angesehen werden. Es steht die doppelte Dachfläche zur Verfügung. Trotz geringerer Spitzenleistung und eines geringeren Energieertrags sind diese Anlagen durch ihre bessere Flächennutzung wirtschaftlicher als Anlagen mit reiner Südausrichtung. => begünstigt Eigenstromnutzung Folie 24

25 Alternative: anstatt PV-Dachanlagen Kleinwindanlagen Vorteil: anderes Erzeugerlastprofil als PV Dachanlagen! Wirtschaftlich derzeit erst ab etwa 5 kwp an günstigen Standorten Mit höherer Leistung sinkt die Amortisationszeit Gebäudedach häufig die beste Möglichkeit ( Flachdächer) Um gleiche Windbedingungen wie an Standorten auf dem freien Land zu erhalten, ist es in der Stadt notwendig, die Windkraftanlagen wesentlich höher aufzustellen Nennleistung kwp Gesamtkosten Energieertrag/Jahr kwh Kosten der Erzeugung /kwh 0,30 0,18 0,13 0,11 notwendiger Eigenverbrauch % Folie 25

26 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem Maßnahmen 4: Speicherung Folie 26

27 Pumpspeicher (Deutschland) Druckluftspeicher Batteriespeicher Power to Gas Geschätztes Potential in Deutschland Ca. 10 GW und 78 GWh bis 2020; langfristig bis zu 2 TWh Beliebig groß, ca. 0,8 2,5 TWh unbegrenzt unbegrenzt Bemerkung Geringe Energiedichte, einzige bewährte und kostengünstige Speichertechnologie, technisch auch als Langzeitspeicher geeignet, aber keine ausreichendes Potential Adiabate Druckluftspeicher (Wirkungsgrad ca %) noch in der Entwicklungsphase, rel. Kostengünstig, wenig effizient und teurer als Pumpspeicher Teuerste Option, allerdings auch hohes Entwicklungs und Kostensenkungspotential; Kombination mit E Mobilität möglich Aus heutiger Sicht einzige Langzeitspeicheroption mit ausreichend Potenzial, niedriger Wirkungsgrad (Strom zu Strom 30 45%) Folie 27

28 Beispiel Kombination PV und Batteriespeicher Dezentrale Batteriespeicher zur Netzoptimierten Speicherung von Solarstrom: Batterie-Kurzzeitspeicher in Haushalten können die Spitzenlast um bis zu 40 % senken Beispiel: Für einen 3 Personenhaushalt mit einer Anlage von 4,5kWp kann mit einer 2 kwh Batterie der Eigendeckungsanteil von 32% auf 44% gesteigert werden (bei 10 kwh ca. 70% des Strombedarfes Eigendeckungsanteil). Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Speichersysteme zur Eigenverbrauchssteigerung sind derzeit noch zu teuer. Auch die bessere Vergütung fängt die hohen Investkosten kaum auf, eine Wirtschaftlichkeit kann maximal bei kleinen Batteriesystemen (2 kwh) nachgewiesen werden Folie 28

29 Herausforderung und Lösungsansätze Umgang mit Überlastspitzen durch z. B. PV Strom Umgang mit Unterlasttäler Umgang mit Verteilungsproblem flankierende Maßnahme: Netzausbau Nahezu alternativlos bis 2050, wird an der Energiewende in der jetzigen Form festgehalten Folie 29

30 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 30

31 Zusammenfassung: Chronologie der Maßnahmen Quelle: Folie 31

32 Inhalt 1. Einführung: Erneuerbare Energie Energiekonzept 2010 die Energiewende Energiebedarf global Energiebedarf Deutschland 2. Ausbauszenario EE bis Herausforderungen und Lösungsansätze 4. Zusammenfassung 5. Schluss Folie 32

33 Fazit und Schlussbemerkung Im Rahmen von Energiekonzepten / Energieleitplänen müssen zukünftig Systemansätze berücksichtigt werden: Der Energiemarkt muss zukünftig intelligenter gestaltet werden, um erzeugerabhängiges Verbrauchsverhalten monetär zu belohnen (SMART market). Neubauten und energetische Sanierungen müssen zukünftig nicht zwangsweise PV Dachanlagen mit vorsehen sondern sollten mit Spitzenlaststrom aus dem Netz versorgt werden, ein Beitrag zur Netzstabilität! Voraussetzung: Integration von kleinen Stromspeichereinheiten Intelligente Wärmepumpentechnik (DSM) in Kombination mit Speichern sind systemdienlich und sollten vor herkömmlicher WP Technik bevorzugt werden insbesondere für die Bereitung von Warmwasser (Sommerspitzen von PV) => Städtebau im Kontext der Energiewende fordert Systemdenken von Experten Folie 33

34 Schlusswort Die Energiewende ist eine komplexe Aufgabe. Alle Bereiche des öffentlichen Lebens müssen eingebunden und gefordert werden um ihren Beitrag dazu zu leisten. ist eine gesellschaftliche Herausforderung, derer sich keiner entziehen kann Folie 34

35 Vielen Dank bifa Umweltinstitut GmbH Am Mittleren Moos 46 D Augsburg Tel.: / Fax: /

36 Backup Folie 36

37 Alternative: anstatt PV-Dachanlagen Kleinwindanlagen Quelle: Folie 37

38 Rahmenbedingungen zum Erreichen der Ziele (unvollständig) EEG: Bau von z.b. BGA, GeothermieKW, WEA, BioMBHKW, Novelle steht an EEWärmeG: Energiebedarf von Neubauten muss zukünftig zu 50 % aus erneuerbaren stammen BioMasseV, BioMasseNachV, BioKraftStoffV: Standards für Rohstoffe aus Biomasse KWKG: Neue technische Standards bzgl. Wirkungsgrade Förderung + FWN Förderung (50 % KWK-Anteil) aus dem Bereich Wirkung nimmt mit der Zeit eher ab Wirkung nimmt mit der Zeit eher zu EnEV: Standard Wärmebedarf -30 % TEHG2012: RESSOURCE CO2e - 20 % bis 2020 Energiebetriebs-produktgesetz (EBPG): z. B. von Standbyverbot Senkung des Stromverbrauchs Regionale Politik: (Beispiele) - Gemeindesatzung - Anschlusszwang FWN - Verbrennungsverbot Sonstige Einflussfaktoren Energieeffizienz steigt bei Produktionsbetrieben Ressourcenverknappung Demografische Entwicklung XY Folie 38

39 Wärme- und Kältespeicher: Bsp. Reichstag in Berlin Konzept eignet sich von der Größenordnung auch für größere Stadtquartiere Folie 39 Quelle: