Erneuerbare Energien für kommunale Energiesysteme

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1 Erneuerbare Energien für kommunale Energiesysteme Gerhard Stryi-Hipp Koordinator»Smart Energy Cities«Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE VDI Fachausschuss Regenerative Energien FARE Robert-Mayer-Preisverleihung 2016 Heilbronn, 9. März / VDI-Fachgeslschaft Energie und Umwt (VDI-GEU)

2 Energiewende muss auf allen Ebenen umgesetzt werden Ebene Verbraucher Kommune Region Bundesland National Europa Maßnahmen Effiziente Geräte, Gebäudedämmung, effiziente Mobilität, Elektro-Auto, energiebewußtes Verhalten, erneuerbare Energien, Mikro-, Intligente Energiesysteme/-netze (Smart Grids für Wärme, Kälte, Strom), effiziente öffentliche Gebäude, erneuerbare Energien,, Mobilitätskonzepte, Energiekonzepte, Aufklärung, Bebauungspläne, Energiekonzepte, erneuerbare Energien (Wind, Biomasse, Geothermie), Regionalpläne, Vernetzung von Kommunen, Regulatorische Rahmenbedingungen, Pilotprojekte, Netzausbau/Infrastruktur, Energieaufsicht, Energiepolitische Zisetzung,Gesetzliche Rahmenbedingungen für das Energiesystem inkl. Netzausbau, Förderung EE und Effizienz, Übergeordnete Vorgaben, Sicherung der Energieimporte, internationaler Netzausbau,

3 Herausforderungen bei der Identifizierung eines optimierten nachhaltigen kommunalen Energiesystems Zisetzung: hoher Anteil lokaler erneuerbarer Energien / Versorgungssicherheit zu jeder Stunde unter Berücksichtigung lokaler Bedarfsprofile! Individule Lösung für jede Stadt/Region Umsetzungszeiträume: Transformation benötigt Jahre, kurzfristig attraktive Lösungen können langfristig kontraproduktiv sein è Maßnahmen in naher Zukunft müssen sich auch am angestrebten Endzustand orientieren Komplexität künftiger Energiesysteme: fluktuierende Erzeugung, eicher, Lastmanagement und enge Verzahnung Strom-Wärme-Mobilität!"Zeitliche Dynamik und Interdependenzen der Energiesystem-arten sind zu berücksichtigen

4 Energiesystem-Modlierung mit»kommod«fraunhofer-ise entwickte»kommod«zur Identifizierung kostenoptimaler Zi- Energiesysteme für Städte und Regionen è zeitlich hochaufgöste technoökonomische Optimierung von Strom, Wärme, Kälte und lokalem Verkehr Energie system 2014 Modlierung Fahrplan robust, flexib Backwarding Energie system 2050 Ergebnisse der Berechnungen mit KomMod n Kostenoptimale Struktur des Energiesystems n Optimale Betriebsweise n Anteile Energiequlen, notwendige Erzeugungsund eicherkapazitäten, Umfang Wärmenetze n Import und Export von Restenergiemengen n Invest- und Betriebskosten n Zusammenarbeit Stadt Region n Was wäre wenn: Variantenanalysen KomMod = Kommunales Energiesystemmodl

5 Schritte zum regionalen ENERGIEFAHRPLAN Standardisiertes Vorgehen für Kommunen/Regionen 1. Beschluss ENERGIEZIEL 2. Datenerhebung Nachfrage- und Angebotsprofile, erwartete Entwicklung 3. Simulation ENERGIESYSTEM SZENARIEN Mögliche Lösungen 4. Bewertung ENERGIESYSTEM SZENARIEN 5. Beschluss ZIEL- ENERGIESYSTEM 6. Entwicklung UMSETZUNGS- FAHRPLAN 7. Entwicklung MONITORING- KONZEPT 8. Beschluss ENERGIE- MASTERPLAN UMSETZUNG Leuchtturmprojekte Breitenmaßnahmen Regmäßiges Monitoring Maßnahmen Stadtverwaltung und Bürger: Maßnahmen Experten/Beratungspartner:

6 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION STADT Wind Stromnetz Strombedarf Wasser Solarwärme Geo thermie Wärmenetz vernetzt Erzeugung Wand / Verteilung / Betrieb HK Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

7 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION STADT Wind Stromspeicher kurzzeit Stromnetz Strombedarf Wasser Solarwärme Geo thermie Wärmenetz vernetzt Erzeugung Wand / Verteilung / Betrieb HK Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

8 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION STADT Wind Stromspeicher kurzzeit Stromnetz Strombedarf Wasser Abfall Geo thermie Bio Feste Biomasse Erzeugung Gasnetz Wärmenetz Hand feste Biomasse Wand / Verteilung / Betrieb Solarwärme Wärmespeicher saisonal HK vernetzt Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

9 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION STADT Wind Stromspeicher kurzzeit Stromnetz Strombedarf Wasser Abfall PtH Geo thermie Bio Feste Biomasse Erzeugung Gasnetz Wärmenetz Hand feste Biomasse Wand / Verteilung / Betrieb Solarwärme Wärmespeicher saisonal Gasspeicher saisonal HK vernetzt Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

10 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION STADT Wind Stromspeicher kurzzeit Stromnetz Strombedarf Wasser Kältespeicher Abfall PtH KKM Geo thermie Bio Feste Biomasse Erzeugung Gasnetz Wärmenetz Hand feste Biomasse Elys CO 2 Meth H 2 Feeding in H 2 Wand / Verteilung / Betrieb AKM Solarwärme Wärmespeicher saisonal Gasspeicher saisonal HK KKM AKM Kältebedarf vernetzt vernetzt Ins Kältebedarf Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

11 Struktur kommunaler Energiesysteme auf Basis ern. Energien REGION Wind STADT Wind Import/Export Stromspeicher kurzzeit Stromnetz Strombedarf Wasser Wasser Kältespeicher Abfall Abfall PtH KKM Solarwärme Geo thermie Bio Feste Biomasse Erzeugung Geo thermie Bio Feste Biomasse Erzeugung Gasnetz Wärmenetz Hand feste Biomasse Elys CO 2 Meth H 2 Feeding in H 2 Wand / Verteilung / Betrieb AKM Solarwärme Wärmespeicher saisonal Gasspeicher saisonal HK KKM AKM Kältebedarf vernetzt vernetzt Ins Kältebedarf Ins Lokale Erzeugung / Verbrauch Source: Fraunhofer ISE Wärme-/Kälteerzeuger für den Insbedarf sind optional pro Gebäude./Gas = Wärmepumpe ektisch / betrieben, = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkess,. = eicher, = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat, AKM/KKM = Absorption-/Adsorbtion-/Kompressionskältemaschine

12 Wie sich Frankfurt/Main im Jahr 2050 zu 95 % mit regionalen erneuerbaren Energien versorgen kann Auftrag: Wie kann sich die Stadt zu 100 % mit erneuerbaren Energien möglichst aus der Region im Jahr 2050 versorgen (für Strom, Wärme und lokale Mobilität)? Datengrundlage: Fraunhofer IBP Modlierungen: Fraunhofer ISE Ergebnis: Eine Vollversorgung mit erneuerbare Energien ist möglich bei Nutzung der Wind-, Biomasseund -Potenziale aus der Region. Aber: Import von 10% Reststrom und die Einbeziehung von Wind-/ Biomasse- Potenzialen aus Hessen ist sinnvoll, da deutlich kostengünstiger. Maßnahmen: 1. Deutliche Effizienzsteigerung (Erzeugung,, Verbrauch) 2. Maximale Nutzung lokaler erneuerbarer Energien 3. Energiekooperation mit Region 4. Smarte Lösungen: Smart Grid, eicher, Elektromobilität,...

13 Simulationsergebnisse zeitlich aufgöst 1 Woche im Frühjahr 1 Woche im Herbst Stromversorgung Wärmeversorgung

14 Frankfurt/M. 2050: 95 % regionale erneuerbare Energien Ergebnis einer zeitlich hochaufgösten Simulation des Energiesystems (Stundenauflösung). Berücksichtigte Potenziale: Alle Potenziale der Stadt, erneuerbare Energien und Abfall Potenziale der Region zu 50 % und 11,6 % des Hessenpotenzials von Wind und Biomasse (Bevölkerungsanteil), 90 % Eigenerzeugung bei Strom (inklusive EE-Strom aus der Region) und 100 % bei Sbstversorgung mit EE-Wärme Hessen Region»FrankfurtRheinMain«Stadtgebiet Frankfurt am Main Erzeugung im Stadtgebiet Stadtebene Export Import 22% -18% 10% Wind 20% 84% Strom Wasser 0,4% 24% Gebäudeebene Stromspeicher 2,0 GWh 5% -5% 4964 GWh 100% Verbraucher 17% Lokale Mobilität Effizienz: Reduzierung des Energiebedarfs 2012 bis 2050 Von Treibstoffen + Strom zu Elektromobilität only - 79% Abfall Feste Biomasse Bio 23% 17% 6% Heizkess Wärmepumpe 9% Haushalte 21% 32% GHD 18% - 64% - 72% - 53% - 78% Alle Daten Endenergie, Kreisflächen proportional zu Energiemengen Solarthermie Gesamterzeugung 9759 GWh Nah- und wärme 41% ndustrie 12% 22% Wärme 36% Wärmespeicher 2,3 GWh 5267 GWh 100% Industrie 42% 61% Fraunhofer ISE - 11% - 10%

15 Datenblatt Frankfurt/M. 2050: 95% regionale erneuerbare Energien Erzeuger Strom Wärme Inst. Leistung Bio BHKW 4% 4% 81 MW / 72 MW th Feste Biomasse HKW 10% 9% 124 MW / 99 MW th Feste Biomasse Heizkess - 11% 271 MW th Klär HKW <1% 1% 15 MW / 19 MW th Abfall HKW 9% 31% 131 MW / 392 MW th Photovoltaik 32% MWp Wind 34% MW Wasser <1% - 6 MW Solarthermie - 22% 1470 MW Wärmepumpen - 21% 378 MW Import in Stadtgebiet 10% - Elektr. / therm. eicher 2036 MWh / 2594 MWh th Stromgestehungskosten 12,0 ct/kwh [HKW = Heizkraftwerk]

16 Zusammenfassung n Kommunen sind Hauptakteure bei der Umsetzung der Energiewende n Nachhaltige Energiesysteme zeichnen sich aus durch n eine hohe Effizienz in Erzeugung, Wandlung, eicherung, Verteilung und Nutzung von Energie n einen hohen Anteil lokal und regional erzeugter erneuerbarer Energien n eine zunehmende Sektorkopplung Strom-Wärme-Kälte-Mobilität und n einem intligenten Energiemanagementsystem (Smart Home, Smart Grid, Smart Management, Demand Side Management) n Es braucht ein besseres Verständnis für das Gesamtsystem und entsprechende Tools, um optimierte Zi-Energiesysteme zu identifizieren

17 Vien Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Gerhard Stryi-Hipp