Innovationen für das Neue Stromzeitalter

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1 Innovationen für das Neue Stromzeitalter STE-Forum Systemforschung im Zentrum Forschungszentrum Jülich, Prof. Dr. Michael Weinhold Chief Technology Officer (CTO) Siemens AG, Energy Sector

2 Agenda Trends Innovationen Handlungsempfehlungen Seite Michael Weinhold

3 Paradigmenwechsel beim Energiesystem: Das Neue Stromzeitalter 19. Jahrhundert Pioniere Keine Umweltschutz-Bedenken: Energiesystem nicht nachhaltig 20. Jahrhundert Zentrale Kraftwerke 21. Jahrhundert Prosumer? Umwelt-Bewusstsein: Nachhaltiges Energiesystem Elektrifizierung der Gesellschaft Kohlezeitalter Elektrische Energieerzeugung in breitem Stil Zeitalter der fossilen Brennstoffe Übergang zum neuen Stromzeitalter Herausforderungen: 1.) Demographischer Wandel 2.) Ressourcenverknappung 3.) Klimawandel Das Neue Stromzeitalter Elektrizität wird der Energieträger mit einem Stromnetz als Rückrat Integriertes Energiesystem Erzeugung und Last eng aufeinander abgestimmt Kohle Wasserkraft Erzeugung folgt Last Kohle, Gas, Öl, Wasserkraft, Nuklear Energiesystem im Wandel Consumer wird zum Prosumer Kohle, Gas, Öl, Wasserkraft, Nuklear, Biomasse, Wind, Solar Last folgt Erzeugung Erneuerbare Energieträger, (Solar, Wind, Wasserkraft, Biomasse), saubere Kohle, Gas, Kernkraft Seite Michael Weinhold

4 Entwicklung des Strombedarfs Zwei mögliche Szenarien +2,8% jährl. Wind Onshore % Meeresenergie Biomasse, Abfall 1% 17% Erdwärme 40% 4% 6% Solar (Solarthermie) 11% Wind Offshore 21% Solar (Photovoltaik) 13 17% % Erneuerbare Stromerzeugung weltweit (in 1000 TWh) Annahmen für ein optimistisches grünes Szenario: Kostenreduktion für erneuerbare Energien 21,0 4% 15% 13% 21% 5% 42% CAGR +9,6% 68% 58% 15% 14% 21% 3% 34% 34 30% 15% 14% 22% 3% 30% Wasserkraft Kernkraft Gas Öl Kohle Energiespeicher verfügbar Ausbau des Übertragungsnetzes Gas kompensiert Leistungsschwankungen der erneuerbaren Energien Quelle: Siemens Basisszenario 2030 Optimistisches grünes Szenario Seite Michael Weinhold

5 Windturbinen: Rasante Entwicklung zu höherer Effizienz und Anlagenleistung Deutschland: installierte Windturbinenleistung am ca. 29,1 GW m 157 m 135 m 200 m 100 m m 22 m 35 m m m 60 m st generation KW 1993 / nd generation KW 1996 / rd generation 1,000 1,500 KW 2002 / th generation 2,500 3,500 KW Cologne Cathedral Today 5th generation 6,000 KW Seite Michael Weinhold

6 Windkraft Heutige Innovationen SWT Größerer Durchmesser (Blattlänge) für mehr Produktion bei moderaten Windgeschwindigkeiten Höhere Performance bei offshore Anlagen Schwimmende Turbinen Für tiefe Gewässer Höhere Produktion bei starken und stabilen Windkonditionen Direct Drive 2.3/3.0/6.0 MW Keine Getriebeverluste Geringeres Gewicht Reduzierte Wartung Integral Blades "State-of-the-art" Blätter: Exzellente Kraft, wenig Geräusche Hohe Zuverlässigkeit (keine Nähte) Seite Michael Weinhold

7 Solarenergie Verschiedene Technologien entwickeln sich für unterschiedliche Größen und Marktbedingungen Les Mées, France Lebrija, Spain Photovoltaic Anlage mit 30 MWp für den Strombedarf von Haushalten Pioneer Concentrated Solar Power Kraftwerk in Spanien mit 50 MW Kapazität Seite Michael Weinhold

8 5 MWp Photovoltaik-Anlage in Ketura, Israel Transformer Plant monitoring E-House Boxes Support structures Security System Solar panels Grid integration Seite Michael Weinhold

9 Energiewende Deutschland Ambitionierte Ziele Ziele der deutschen Energiewende CO 2 -Reduzierung: Mindestens 80-95% Anteil Erneuerbarer Energien am Stromverbrauch: 80% im Stromerzeugungs-Mix Anteil Erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch > 50% Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50% Anteil Erneuerbarer Energien am Stromverbrauch: 50% im Stromerzeugungs-Mix Abschalten aller Kernkraftwerke Anteil Erneuerbarer Energien am Stromverbrauch: 35% im Stromerzeugungs-Mix Netzausbau (DENA II: 4540 km bis 2020 notwendig) bis Seite Michael Weinhold

10 Beitrag und Ziele des Stroms aus Erneuerbaren Energiequellen Quelle: BDEW Seite Michael Weinhold

11 PV install. PV-Leistung am 31. März 2012: Deutschland: 27 GW (Schätzung) Spitzenlast: 80 GW Bayern: 8,5 GW (Schätzung) Spitzenlast: 12 GW Seite Michael Weinhold Siemens AG

12 Geplante Stromproduktion und Day-Ahead Strom-Markt am Solardelle Quelle: Seite Michael Weinhold

13 Bürger unter Strom in Deutschland (Stand: 10/2011) Eigentümer installierter Leistung aus Erneuerbarer Energie Installierte Leistung gesamt: MW Privatperson 7,0% 6,5% 1,5% 9,0% 11,0% 40,0% Landwirte Projektierer Fonds/Banken Gewerbe andere Energieversorger große vier Energieversorger Sonstige 14,0% 11,0% Quelle: trend research 2011 Seite Michael Weinhold

14 Verschiedene Regionen Deutschlands wollen langfristig vollständig auf Erneuerbare Energien umstellen Source: Seite Michael Weinhold

15 Die Energiewelt im Umbruch hin zu einem integrierten Energiesystem: effizienter, volatiler, komplexer und bidirektional Vorher Nachher power information Seite Michael Weinhold

16 Das Neue Stromzeitalter: Die zunehmende Elektrifizierung führt zur Strom-Matrix Zunehmende Elektronifizierung unserer Infrastrukturen in Stromerzeugung, Stromtransport, Endanwendung sowie Koordination Seite Michael Weinhold

17 Agenda Trends Innovationen Handlungsempfehlungen Seite Michael Weinhold

18 Innovations along the entire energy conversion chain Megawatt, Negawatt, Kilowatt Wind Power Generation Solar Power Generation HVDC-Transmission and HVDC Grids Smart Grid incl. Energy Storage, E-Mobility Offshore & Subsea Oil&Gas Pipeline Transportation and Gas Liquefaction Highly Efficient Coal- and gasfired Power Plants Gasification Carbon Capture and Storage Seite Michael Weinhold

19 Die Zunahme volatiler Stromerzeugung aus Wind und PV stellt große Herausforderungen an das Energiesystem Grosskraftwerke Volatile Stromproduktion Windkraftwerke Solarkraftwerke Herausforderung: Balance Produktion & Verbrauch power Lösungen Verteilte Stromerzeugung Verbraucher werden zu Strom-Produzenten mit z. B. PV Mikro-KWK Netzausbau Flexible und hocheffiziente konventionelle Kraftwerke Energiespeicher Smart Grid Seite Michael Weinhold

20 Yunnan-Guangdong 800 kv DC Line Seite Michael Weinhold

21 Unterschiedliche Leistungselektronik Herausforderungen für Innovative erfordern individuelle Hochspannungs-Gleichstromübertragung Antworten (HGÜ) Seite Michael Weinhold

22 Beispiel China: Über 217 GW zusätzliche HGÜ-Verbindungen zwischen 2010 und 2020 geplant 1 x B2B 3 x 500 kv 7 x 660 kv 19 x 800 kv 5 x 1000 kv Jilin Xinjiang Liaoning Inrfar Mongolia Beijing Gansu Tianjin Hebei Shanxi Ningxia Shandong Henan Qinghai 18 Jiangsu Shaanxi Anhuj Sichuan & 2 Shanghai 7 Xizang Chongqing Hubai Zheijang 32 Jiangxi 11 Guizhou Fujian Yunnan Guangdong Taiwan Heilongjiang Bangkok Hainan Seite Michael Weinhold

23 High Voltage Direct Current Transmission HVDC Classic versus HVDC PLUS AC Grid 1 ~ = DC = ~ AC Grid 2 HVDC Classic HVDC PLUS C G C A G E 8 kv Thyristors I DC = 4.5 ka up to 7500 ± 800 kv DC MI cable up to ± 600 kv DC 4.5 kv Transistors (IGBT) I DC = 1.7 ka up to 1100 ± 320 kv DC XLPE cable up to ± 320 kv DC Seite Michael Weinhold

24 HVDC PLUS Example Transformer Insertion Resistor Star Point Reactor AC Switchyard Converter Reactor Power Modules Siemens AG 2008 Seite Michael Weinhold Siemens Energy AG Sector 2012

25 Innovative HGÜ-Technik HVDC PLUS: Trans Bay Cable Project, San Francisco, USA Seite Michael Weinhold

26 HVDC PLUS Stromrichterhalle Seite Michael Weinhold

27 Vision of the European off-shore Super Grid: Pioneering the high voltage DC Grid Finland Norway North Sea Estland Ireland Denmark Sweden Baltic Sea Lithuania Latvia Great Britain Germany Poland Russia France Belgium The Netherlands Source: European Wind Energy Association (EWEA) 2009/2010, Siemens 2030: Offshore-Grid-Vision of EWEA Existing connection EWEA-recommended grids until 2020 planned EWEA-recommended grids until 2030 Under evaluation Under evaluation (EWEA-recommendation) Multi terminal station/platform Seite Michael Weinhold

28 Die Zunahme volatiler Stromerzeugung aus Wind und PV stellt große Herausforderungen an das Energiesystem Grosskraftwerke Volatile Stromproduktion Windkraftwerke Solarkraftwerke Herausforderung: Balance Produktion & Verbrauch power Lösungen Verteilte Stromerzeugung Verbraucher werden zu Strom-Produzenten mit z. B. PV Mikro-KWK Netzausbau Flexible und hocheffiziente konventionelle Kraftwerke Energiespeicher Smart Grid Seite Michael Weinhold

29 SGT5-8000H / SCC5-8000H Innovationen werden zu wirtschaftlichen Vorteilen Das GUD Kraftwerk in Irsching (Bayern) mit der leistungsstärksten Gasturbine der Welt (370 MW) Seite Michael Weinhold

30 Die Zunahme volatiler Stromerzeugung aus Wind und PV stellt große Herausforderungen an das Energiesystem Grosskraftwerke Volatile Stromproduktion Windkraftwerke Solarkraftwerke Herausforderung: Balance Produktion & Verbrauch power Lösungen Verteilte Stromerzeugung Verbraucher werden zu Strom-Produzenten mit z. B. PV Mikro-KWK Netzausbau Flexible und hocheffiziente konventionelle Kraftwerke Energiespeicher Smart Grid Seite Michael Weinhold

31 Seconds Minutes Hours Days/ Months Available storage technologies cover different requirements to power and capacity H2/ Methan (stationary) 4 Energy reserve Flow-Batteries diabatic CAES adiabatic Pumped Hydro 3 Time shift Batteries (Advanced) Lead Acid NaS Li-Ion Flywheel storage 2 Operating reserve Technology Chemical Storage Super capacitor Superconductive coil Power quality 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW MW Source: Study of DNK/WEC Energie für Deutschland 2011, Bloomberg Energy Storage technologies Q CAES Compressed Air Energy Storage 1 Maturity Electrochemical Storage Mechanical Storage Electrical Storage Commercial Early commercial Demonstration Seite Michael Weinhold

32 Kapazität in MW Speicherbedarf bei Windkraftschwankungen Vattenfall - Netz (February 2008) Lastkurve Wind Kapazität Wind Prognose Pumpspeicher in Deutschland Pumpspeicher in Deutschland 7000 MW MW MWh MWh IfR, TU - Braunschweig Quelle: VDE Seite Michael Weinhold

33 Deutschlands Pumpspeicherkraftwerke haben ein relativ geringes Energiespeicher-Vermögen (insgesamt ca. 40GWh) Die 9 größten Pumpspeicher- Kraftwerke Deutschlands: Hinsichtlich Energieinhalt äquivalenter Würfel mit einer Kantenlänge von: Goldistahl: 1060 MW, 8,5 GWh Markersbach: 1050 MW, 4 GWh Wehr: 992 MW, 6 GWh 16 m: Diesel 20 m: Methanol 18 m: Ethanol Waldeck II: 480 MW, 3,4 GWh Säckingen: 370 MW, 2 GWh Hohenwarte II: 320 MW, 2,1 GWh 166 m: (CH 4, 1 bar) 230 m: (H 2, 1 bar) 40 m: (H 2, 200 bar) Witznau: 248 MW, 0,63 GWh Erzhausen: 223 MW, 0,94 GWh Waldshut: 176 MW, 0,4 GWh Quelle: UBA- Datenbank, 2011 Seite Michael Weinhold

34 Es gibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Wasserstoff Power Generation Conversion In / Out Utilization Direct utilization (no storage step) Photovoltaic H 2 Mobility (H 2 -refueling) H 2 storage Fuel Cell Car Wind Power Intermittent O 2 H H 2 O generation PEM-Electrolyzer (injection) Gas pipeline CH 4 (injection) CH 4 H 2 CC-Turbine Energy (Re-Electrification) Conventional (e.g. fossil) Steady generation Grid H 2 CO 2 Methanation / CO 2 utilization (Sabatier-Process) H 2 Industry Industry (usage of H 2 ) Seite Michael Weinhold

35 Li-Battery Storage System SIESTORAGE Overview of applications Source: Siemens AG, IC LMV Seite Michael Weinhold

36 Stromproduktion einer 314 kwp PV-Installation nahe Erlangen bei blauem und bewölktem Himmel Sonniger Tag im April: 1,9 MWh Bewölkter Tag im April: 1,2 MWh Seite Michael Weinhold

37 Li-Battery Storage System SIESTORAGE Energy Storage cabinet as smallest modular unit Container Solution Source: Siemens AG, IC LMV Seite Michael Weinhold

38 Die Zunahme volatiler Stromerzeugung aus Wind und PV stellt große Herausforderungen an das Energiesystem Grosskraftwerke Volatile Stromproduktion Windkraftwerke Solarkraftwerke Herausforderung: Balance Produktion & Verbrauch power Lösungen Verteilte Stromerzeugung Verbraucher werden zu Strom-Produzenten mit z. B. PV Mikro-KWK Netzausbau Flexible und hocheffiziente konventionelle Kraftwerke Energiespeicher Smart Grid Seite Michael Weinhold

39 Gebäude als flexible Energiespeicher aktiver Beitrag zur Lastverschiebung Gebäude haben enormes Potential für Energieeinsparung Passive Konsumenten werden zu aktiven Prosumer = Produzent und Konsument selbst in Privathaushalten Smart Buildings optimieren ihren internen Energiebedarf und kommunizieren mit dem Smart Grid für Zugang zu automatisiertem Energiehandel Seite Michael Weinhold

40 Energieanwendung in Deutschland in 2010 Gesamt PJ (=2.517 TWh), Angaben in Prozent, Vorjahr in Klammern Quelle: AG Energiebilanzen: Seite Michael Weinhold

41 Agenda Trends Innovationen Handlungsempfehlungen Seite Michael Weinhold

42 Die 3 Schritte zum Integrierten Energiesytem Nur dadurch ist Kosteneffizienz für Deutschland erreichbar! 1 Energiemix Optimierung 2 Effizienzsteigerung in den einzelnen Komponenten der Strom- bzw. Energiematrix 3 Systemische Optimierung: -Strom / Wärme / Gas verzahnen -Überregionale Synergien ziehen -Vorhandene Infrastruktur nutzen Seite Michael Weinhold

43 Unterschiedliche Herausforderungen erfordern individuelle Antworten Vielen Dank! Seite Michael Weinhold Siemens AG

44 Disclaimer This document contains forward-looking statements and information that is, statements related to future, not past, events. These statements may be identified either orally or in writing by words as expects, anticipates, intends, plans, believes, seeks, estimates, will or words of similar meaning. Such statements are based on our current expectations and certain assumptions, and are, therefore, subject to certain risks and uncertainties. A variety of factors, many of which are beyond Siemens control, affect its operations, performance, business strategy and results and could cause the actual results, performance or achievements of Siemens worldwide to be materially different from any future results, performance or achievements that may be expressed or implied by such forward-looking statements. For us, particular uncertainties arise, among others, from changes in general economic and business conditions, changes in currency exchange rates and interest rates, introduction of competing products or technologies by other companies, lack of acceptance of new products or services by customers targeted by Siemens worldwide, changes in business strategy and various other factors. More detailed information about certain of these factors is contained in Siemens filings with the SEC, which are available on the Siemens website, and on the SEC s website, Should one or more of these risks or uncertainties materialize, or should underlying assumptions prove incorrect, actual results may vary materially from those described in the relevant forward-looking statement as anticipated, believed, estimated, expected, intended, planned or projected. Siemens does not intend or assume any obligation to update or revise these forward-looking statements in light of developments which differ from those anticipated. Trademarks mentioned in this document are the property of Siemens AG, it's affiliates or their respective owners. Seite Michael Weinhold