TOWARDS A RENEWABLE ENERGY ECONOMY

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1 TOWARDS A RENEWABLE ENERGY ECONOMY FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISE Christopher Hebling, PhD Director, Division Energy Technology IRENA Electricity Storage Workshop Akasaka Station TKP Conference Centre Nov. 7 th, 214, Tokyo, Japan Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems ISE, Freiburg, Germany Fraunhofer ISE / Photo: Guido Kirsch christopher.hebling@ise.fraunhofer.de

2 The Energy Concept of the German Government Targetes for the year Reduction green house gases - 4% - 8/95% Share of renewables on the electricity consumption 35% > 8% Reduction primary energy consumption - 2% - 5% 2

3 Development of Energy Efficiency and Renewable Energy in Germany Deutschland auf dem Weg in ein neues Energiezeitalter Energy Energieeffizienz Productivity GDP/PEC BIP/PEV (Primary (Mio.! 21 Energy / PJ) Consumption Mio. 21/PJ) 5 4 Energy Energiekonzept Concept 25 Zeitalter Age of Energy der Energieeffizienz Efficiency 3 2 DEU 199 DEU 21 Germany DEU 1973 DEU 195 Age Zeitalter of der Renewable Erneuerbaren Energies Share Anteil of Erneuerbare Renewables in am electric Bruttostromverbrauch power consumption (Prozent) (%) BMWi, IIIC2 3

4 Transition to a Solar Energy Economy Energy Storage Technologies Heat storage Heat Storage Vessels, Buildings Sun Gasstorage Gas Pipelines, Caverns Heating Cooling CHP, CCGT, etc. Water Power To Gas Electrolysis Natural Gas Hydrogen CHP, CCGT, Fuel Cells Hydrogen Fueling Stations Electrical heating, Heat pumps Power To Power Electric Energy Electricity Storage Systems EESS Bidirectional Chargers Wind Pumped Hydro, Batteries, Flow Batteries 4 H 2 - container Mobility Battery

5 Energy Storage Technologies Storage principles: Electromagnetic Electrochemical Mechanical Chemical 5

6 Local Hydrogen Storage in gas tube fields Zürich, Switzerland, 24 tubes of 25m length (1.5m), 7 bar, 714. Nm 3 Natural Gas 1.5 GWh Storage Capacity when filled with Hydrogen Source: Rosetti Marino - Italy

7 Local Hydrogen Storage in gas tube fields covered with PV 7

8 Reduction of Greenhouse Gas Emissions until 25 Greenhousegas Emissions in Mio t CO 2, eq. -2% - 4 % - 55 % German energy-related CO 2 emissions (211): 2 % of Europe 2.5 % of world - 7 % - 8 % Others Agriculture Mobility Industry CC Gas Turbines Households Energy Economy Targets - 95 % 8 Christopher Hebling

9 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Space heating demand 4% of today s value (reduced by energy retrofit of building stock) Cost optimized system for a reduction of energyrelated CO 2 emissions by 8 % (compared to Kyoto reference value) 13 Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 1 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 15 GWth Traktion H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher GWel 4 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 2 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 5 GWh Solarthermie 8 GWth Gaskessel 32 GWth Geothermie 2 GWth Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 9

10 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling Electricity generation, storage and end-use Fuels (including biomass and synthetic fuels from RE) Comprehensive analysis of the overall system REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Mobility (batteryelectric, hydrogen, conv. fuel mix) Heat (buildings, incl. storage and heating networks) Processes in industry and tertiary sector 1

11 Electricity generation erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Photovoltaics 147 GW el Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 Onshore Wind KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) GW ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 el 2 KWK-BHKW GWel Solarthermie 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 1 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 15 GWth Traktion H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Medium and14 large size CHP 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher GWel 4 GWh Solarthermie 8 45 Brennstoff-basierte Prozesse in 4 (connected to district heating) 9 GWth Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 2 GW el Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 5 GWh Solarthermie 8 GWth Gaskessel 32 GWth Geothermie 2 GWth 7 18 Offshore Wind 32 GW el 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 11

12 Heat decentralized centralized erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher 13 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Solar thermal 42 GW th Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 1 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 15 GWth Traktion H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher GWel 4 GWh Solarthermie 8 45 Brennstoff-basierte Prozesse in CHP in heat networks 4 9 GWth Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GW 4 GWth 2 Brennstoffe 42 el installed Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 capacity Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 5 GWh Solarthermie Gaskessel 71 7 pumps. Geothermie 8 GWth 5 32 GWth 8 2 GWth Heat pumps 22 GW th (el., ground) GW th (el., air) 15 GW th (gas) 7 18 Solar thermal 4 GW th 4 15 GW th centralized heat Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 12

13 Storage erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Stationary batteries 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh GWh 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse Total 24 GWh (e.g. 33 GWel 8 Mio 335 Biomasseunits H2-Speicher with 3 kwh each) Treibstoff 22 Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD 27 Pumped storage power 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh plants 7 WP zentral GWth 4 42 units with a total of 59 GWh 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 1 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Electrolysers Traktion with 41 total GWth 41 H2-Bedarf 59 Batterie-basierter Verkehr Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe capacity of Traktion 33 GW GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 el (needed BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 for mobility) 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher GWel 4 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 2 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 Wärmebedarf gesamt 388 heating systems el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 5 GWh Solarthermie 8 GWth Gaskessel 32 GWth Geothermie 2 GWth Heat buffers 14 in buildings Total 32 GWh (e.g. 7 Mio units with 8 Litres each) Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Large scale heat storage in district Total 35 GWh (e.g. 15 units with 5. m³ each) Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 13

14 Summary Reduction of energy-related CO 2 emissions by 8 % and above are possible Lower cost for the energy system on the mid to long term Fluctuating renewable energies (wind, solar PV) will become the backbone of electricity generation and will dominate the overall system Flexibilization of residual electricity production and electricity use in all end-use sectors (mobility, heating) is needed Investments needed for components and systems in all energy conversion and end-use sectors Many groups of investors including citizens Solutions on the local and regional district level will play a dominant role for decentralized systems Results can be transferred to other industrialized regions or countries 14

15 Thank you for your attention Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Christopher Hebling, PhD Director Energy Technology Division 15