Lastflexibilisierung in der Industrie in Konkurrenz zu weiteren funktionalen Speichern

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1 Lastflexibilisierung in der Industrie in Konkurrenz zu weiteren funktionalen Speichern Anna Gruber, Serafin von Roon, FfE GmbH Christoph Pellinger, FfE e.v. München VDI Expertenforum Karlsruhe, 19. März

2 Agenda 1. Definition des funktionalen Stromspeichers 2. Lastflexibilisierung in der Industrie als möglicher funktionaler Stromspeicher 3. Potenzialerhebung Studienvergleich 4. Auswirkungen von Energieeffizienzmaßnahmen auf das Lastflexibilisierungspotenzial 5. Entwicklung des Lastflexibilisierungspotenzials bis zum Jahr Zusammenfassung und Ausblick 2

3 MOS Kernfragen des Projektes Welche Systeminfrastruktur ist unter gegebenen Rahmenbedingungen aus Kostensicht am günstigsten für das Versorgungssystem? Welche Fördermechanismen müssen entwickelt werden, damit sich eine zu favorisierende Systeminfrastruktur auch am Markt durchsetzen kann? 3

4 MOS Struktur * Einzelmaßnahmen ** Pumpspeicher Power2Heat / Wärmespeicher - + Elektroauto Power2Gas weitere Speicher Lastflexibilisierung Regionenmodell Markt- und Volkswirtschaft 4 Gesamtsystem Ausbauszenarien * SW Münster * * EWE

5 5 MOS Funktionaler Stromspeicher

6 Funktionaler Speicher am Beispiel der KWK 6 Leistung/Last in GW Speicherleistung in GW Leistung/Last in GW Stunde 1416 im 1440 Jahr Stunde im Jahr Stunde im Jahr Lastüberdeckung Restlast EE KWK flex Must-Run flex* * Erzeugungsgang der Must-Run Anlagen (EE und KWK) nachdem die KWK-Erzeugung mittels Wärmespeicher flexibilisiert wurde.

7 Begriffsdefinitionen Lastflexibilisierung positive und negative Leistung Querschnittstechnologien 7

8 Stromverbrauch in der Industrie nach Branchen Gesamtstromverbrauch 2010 in der Industrie: ca. 219 TWh Energieintensive Branchen mit zur Lastflexibilisierung geeigneten Einzelprozessen Stromverbrauch in TWh/a Branche 8 Eigene Darstellung nach Fraunhofer ISI

9 Status Quo/ in der Umsetzung: Lastflexibilisierung in der Industrie Prozesstechnologien Grundstoffchemie Aluminiumherstellung Herstellung von Kupfer und Zink Papierherstellung Stahlindustrie Zementindustrie Pharmaindustrie 9 Quellen: Dissertation Klobasa, FfE Bildquellen:

10 Stromverbrauch in der Industrie nach Branchen und Anwendungsarten Zur Lastflexibilisierung geeignete Querschnittstechnologien Stromverbrauch in TWh/a Branche Warmwasser Raumwärme Prozesswärme Prozesskälte Klimakälte IKT Sonstige mechanische Energie Elektrische Antriebe (Pumpen) Elektrische Antriebe (Druckluft) Beleuchtung 10 Eigene Darstellung nach Fraunhofer ISI

11 In der Umsetzung: Lastflexibilisierung in der Industrie Querschnittstechnologien Querschnittstechnologien Kühl- und Gefrierprozesse sowie Kühlhäuser Kältemaschinen und Kühlturme Wasseraufbereitung (Fernwärme, Speisewasser) Lüftungsanlagen (Drosselung oder Abschaltung) Klimaanlagen (Leistungsreduktion oder Abschaltung) Beleuchtungsanlagen (Dimmen, Halbnachtschaltung) 11

12 Studienvergleich Vergleich vorhandener Studien zum Thema Lastflexibilisierung in der Industrie Dissertation Klobasa [1] Dena Netzstudie II [2] Habilitation Stadler [3] VDE Studie [4] Bewertungskriterien Unterscheidung nach positiver und negativer Leistung Berücksichtigung der Bereitstellungsdauer Unterscheidung nach Prozess- und Querschnittstechnologien Verwendeter Potenzialbegriff (theoretisches, technisches, wirtschaftliches oder praktisches Potenzial) Betrachtungsjahr Angesetzter Stromverbrauch je Technologie 12 [1] Dynamische Simulation eines Lastmanagements und Integration von Windenergie in ein Elektrizitätsnetz auf Landesebene unter regelungstechnischen Kostengesichtspunkten, 2007 [2] Integration erneuerbarer Energien in die Stromversorgung im Zeitraum mit Ausblick auf 2025, dena Netzstudie II, 2010 [3] Demand Response: Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil erneuerbarer Energien, 2005 [4] Demand Side Integration Lastverschiebungspotenziale in Deutschland, 2012

13 Bewertungskriterien positive und negative Leistung bei Prozesstechnologien Mittlere Lastmanagementpotenziale für energieintensive Einzelprozesse nach Klobasa, dena Netzstudie II und VDE-Studie inst. Leistung mittl. pos. Leistung (abschaltbar) praktisch mögliche pos. Leistung mittl. neg. Leistung (zuschaltbar) praktisch mögliche neg. Leistung Anwendung [MW] [MW] [MW] [MW] [MW] Aluminiumherstellung Zementherstellung Stahlherstellung Holzstoffherstellung Summe inst. Leistung mittl. pos. Leistung (abschaltbar) praktisch mögliche pos. Leistung mittl. neg. Leistung (zuschaltbar) praktisch mögliche neg. Leistung Anwendung [MW] [MW] [MW] [MW] [MW] Luftzerlegung [1] n.a n.a. n.a. Kupfer-/Zinkelektrolyse [1] n.a n.a. n.a. Papiermaschinen [4] n.a. 300 n.a. Abwasserbehandlung [4] Chlorherstellung [1] n.a n.a. n.a. Chlorherstellung [2] Chlorherstellung [4] n.a. n.a. 14 [1] Klobasa, [2] dena Netzstudie II, [3] Stadler, [4] VDE

14 Bewertungskriterien positive und negative Leistung bei Querschnittstechnologien Lastmanagementpotenzial für ausgewählte Querschnittstechnologien nach Klobasa und dena Netzstudie II inst. Leistung mittl. pos. Leistung (abschaltbar) praktisch mögliche pos. Leistung mittl. neg. Leistung (zuschaltbar) praktisch mögliche neg. Leistung Anwendung [MW] [MW] [MW] [MW] [MW] Druckluft [2] Belüftung [2] Klimatisierung [1] n.a. n.a. 320 n.a. n.a. Prozesskälte chem. Industrie [2] Prozesskälte Lebensmittel [1] n.a n.a. n.a. Prozesskälte Lebensmittel [2] [1] Klobasa, [2] dena Netzstudie II

15 Bewertungskriterien Bereitstellungsdauer und Potenzialbegriff Studie Klobasa dena Netzstudie II Stadler VDE-Studie Bereitstellungsdauer reale Aktivierungen hinterlegt (z.b. 40 bis 365 Aktivierungen pro Jahr) flexibilisierbare Last x Vollbenutzungsstunden Beschränkung durch Grenzwerte, die nicht über-/ unterschritten werden dürfen k.a. Studie Klobasa dena Netzstudie II Stadler VDE-Studie verwendeter Potenzialbegriff praktisches Potenzial wirtschaftliches Potenzial technisches Potenzial praktisches Potenzial Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Wirtschaftliches Potenzial Praktisches Potenzial 16

16 Zusammenfassung Studienvergleich Lastflexibilisierungspotenziale einiger Prozesstechnologien ähnlich hoch, allerdings unterschiedlich hohe Ergebnisse für einzelne Prozesstechnologien Vergleich im Bereich Querschnittstechnologien gestaltet sich schwierig, da unterschiedliche Systemgrenzen definiert wurden (z.b. nur Kühlhäuser untersucht) Potenziale für flexibilisierbare Energiemengen nicht vergleichbar, da unterschiedliche Annahmen für Potenzialdefinitionen Bereitstellungdauern Stromverbräuche Betrachtungsjahre Bereitstellungsdauer hat wesentlichen Einfluss auf Potenziale 17

17 Lastflexibilisierung in der Industrie Potenzialabschätzung der FfE Technisches Potenzial für abschaltbare Lasten in der Industrie Technisches Potenzial der abschaltbaren Leistung in MW restliche Industrie Glasindustrie Maschinenbau Kfz Metallverarbeitung Papierindustrie Chemieindustrie Ernährung 0 5 min 15 min 1 h 4 h FfE _00017 Höhe des verfügbaren Lastflexibilisierungspotenzials ist wesentlich von der Bereitstellungsdauer abhängig Notwendigkeit einer ausführlicheren Betrachtung der zeitlichen Verfügbarkeit 18

18 Entwicklungstendenz Energieeffizienzsteigerung Energieeffizienzsteigerung in der Industrie rückt zunehmend in den Fokus Gründe Erhöhung der Energiekosten Steuervergünstigungen für Energieeffizienzmaßnahmen (z.b. Forderung der ISO oder EMAS-Zertifizierung für Spitzenausgleich) Imagesteigerung durch Klimaschutz EU-Energieeffizienzrichtlinie Effizienzsteigerungen können keinen oder positiven oder negativen Einfluss auf die Lastflexibilisierung haben Effizienzsteigerungen müssen in längerfristigen Szenarien zwingend berücksichtigt werden 19

19 Bewertungskriterien für Energieeffizienzmaßnahmen Kriterium Skala Umsetzungskomplexität Einsparpotenzial Investitionskosten / Wartungs- und Instandhaltungskosten 1 Erfordert aufwendige Neuplanung und Umbauten einer Anlage / eines Systems < 5 % der höchsten Einsparung in entsprechender Querschnittstechnologie Sehr hohe Anschaffungskosten 2 Erfordert starke Anpassungen / Eingriffe / Umbauten am System 5 % < x < 30 % der höchsten Einsparung in entsprechender Querschnittstechnologie Hohe Anschaffungskosten 3 Erfordert aufwendigere Auslegung neuer Systemkomponenten, aber keine weiteren Systemanpassungen oder Umbauten 30 % < x < 70 % der höchsten Einsparung in entsprechender Querschnittstechnologie Normale Anschaffungskosten oder Personal- / Parametereinstellungen und geringe Anschaffungskosten 4 Erfordert Installation und einfache Auslegung eines zusätzlichen neuen Gerätes 70 % < x < 95 % der höchsten Einsparung in entsprechender Querschnittstechnologie Günstige Anschaffungskosten 5 Erfordert einfache bis keine Hilfsmittel mit geringem Auslegungsaufwand > 95 % der höchsten Einsparung in entsprechender Querschnittstechnologie Nur Wartungs- und Instandhaltungskosten oder Parametereinstellung am System 20

20 Maßnahmen mit hoher Umsetzungswahrscheinlichkeit Fünf Maßnahmen je QST mit hoher Umsetzungswahrscheinlichkeit Querschnittstechnologie Lüftung Maßnahme spezifisches Einsparpotenzial Regelmäßige Wartung von Keilriemen 4 % Flachriemenantrieb statt Keilriemenantrieb 3 % Anpasssung des Volumenstroms an den Bedarf 2 % Drehzahlregelung von Ventilatoren 28 % Einsatz hocheffizienter Antriebe 4 % 22

21 Einfluss von Energieeffizienzmaßnahmen auf Energieverbrauch bzw. Leistungsaufnahme Ist-Zustand Elektrische Leistungsaufnahme in kw elektrische Leistungsaufnahme kumulierter Energiebedarf Kumulierter Energiebedarf in MWh Stunden Reduzierung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme durch Reduzierung der Laufzeit Reduzierung der max. Leistungsaufnahme 120 elektrische Leistungsaufnahme elektrische Leistungsaufnahme 600 Elektrische Leistungsaufnahme in kw kumulierter Energiebedarf Kumulierter Energiebedarf in MWh Elektrische Leistungsaufnahme in kw kumulierter Energiebedarf Kumulierter Energiebedarf in MWh Stunden Stunden 23

22 Einfluss von Energieeffizienzmaßnahmen auf Energieverbrauch / Leistungsaufnahme Beeinflussung der maximalen Leistungsaufnahme durch Effizienzmaßnahme ungeregelte Anlage Maßnahme P max Maßnahme P max Beleuchtung Druckluftanlagen Einsatz elektronischer Vorschaltgeräte (EVG) - Austausch alter Kupplungen 0 Einsatz hocheffizienter Leuchtmittel - Drehzahlregelung von Kompressoren 0 Einsatz neuer Leuchten - Anpassung der Druckluftreinheit 0 Präsenzmelder 0 Regelmäßige Wartung inkl. Filterwechsel - Tageslichtabhängige Steuerung mit Dimmfunktion 0 Reduktion von Leckagen 0 Fördertechnik Kälteanlagen Drehzahlregelung von Antrieben 0 Einsatz von Absorptionskältemaschinen - Flachriemenantrieb statt Keilriemenantrieb - Nachspannen von Keilriemen - Abschaltung von Antrieben im Leerlaufbetrieb 0 Drehzahlregelung der Verdichter 0 Einsatz hocheffizienter Antriebe - Abtausteuerung 0 Einsatz von Gleitbelägen und Rollenunterstützung - Reinigung von Wärmetauscherflächen 0 Lüftungsanlagen Pumpenanlagen Anpassung des Volumenstroms an den Bedarf - Regelmäßige Wartung von Pumpen - Nachspannen von Keilriemen - Einsatz von Direktantrieben - Regelmäßige Schmierung von Getrieben - Drehzahlregelung der Pumpe 0 Drehzahlregelung von Ventilatoren 0 Einsatz von Flachriemenantrieben statt Keilriemenantrieben - Einsatz hocheffizienter Antriebe - Optimale Einstellung von Riemengeschwindigkeiten - 0: Keine Änderung der maximalen Leistungsaufnahme -: Reduzierung der maximalen Leistungsaufnahme 24 Etwa die Hälfte der Maßnahmen beeinflusst die maximale Leistungsaufnahme

23 Szenario bis 2022 Rahmenbedingungen Der Produktionswert steigt gemäß dem Trend von 2000 bis 2011 um 1,2 % pro Jahr. Der Stromanteil am Endenergiemix steigt von momentan 31 % auf 36 % (eigene Berechnungen auf Basis der Energiedaten des BMWi [8]). Eine Reduktion der Energieintensität (entspricht einer Steigerung der Energieeffizienz) erfolgt gemäß den Vorgaben für den Spitzenausgleich in Deutschland [7] um jährlich 1,3 % bis 2017, ab 2018 um 1,35 %. Lastflexibilisierungspotenzial 2012 und 2022 positiv negativ Lastflexibilisierungspotenzial % 100 % Veränderung durch Produktionssteigerung 13 % 13 % Lastflexibilisierungspotenzial 2022 nach Produktionssteigerung 113 % 113 % Veränderung durch Erhöhung des Stromanteils 18 % 18 % Lastflexibilisierungspotenzial 2022 nach Stromanteilserhöhung 133 % 133 % Veränderung durch Energieeffizienzmaßnahmen -20 % 8 % Lastflexibilisierungspotenzial 2022 nach Energieeffizienzmaßnahmen 106 % 144 % 25 [7] Entwurf eines Zweiten Gesetzes zur Änderung des Energiesteuer- und des Stromsteuergesetzes. Berlin, Bonn: Bundesfinanzministerium, 2012 [8] Fahl, Ulrich; Blesl, Markus; Voß, Alfred; Frondel, Manuel; Grösche, Peter; Peistrup, Matthias; Löschel, Andreas; Bühler, Georg; Hoffmann, Tim u.a.: Die Entwicklung der Energiemärkte bis Energieprognose Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), 2010

24 Szenariobetrachtung Lastflexibilisierungspotenzial einzelner Querschnittstechnologien 2012 und negatives Lastflexibilisierungspotenzial positives Lastflexibilisierungspotenzial Lastflexibilisierungspotenzial in MW Beleuchtung Druckluft Fördertechnik Klimakälte Prozesskälte Lüftung Pumpen Querschnittstechnologie 26 Negatives Lastflexibilisierungspotenzial erhöht sich deutlich (insges. +44 %) Positives Lastflexibilisierungspotenzial erhöht sich geringfügig (insges. +6 %)

25 27 Umsetzung von Lastflexibilisierung die ersten Märkte

26 Chancen nutzen: Demand Response Theoretische Erlöse für die Bereitstellung von Minutenreserve Theoretische Erlöse für die Bereitstellung von Sekundärregelleistung 28

27 Verordnung zu abschaltbaren Lasten AbLastV AbLastV vom Zielgruppe: große industrielle Verbraucher Mindestens 50 MW pro Netzknoten Bereitschaftsvergütung von /(MW*a) Tatsächliche Abschaltung mit 100 bis 400 /MWh Bis zu MW Reserve Kosten auf 348 Millionen Euro gedeckelt max. 0,11 ct/kwh für die Endverbraucher 29

28 Zusammenfassung Lastflexibilisierung in der Industrie kann einen sinnvollen Beitrag zur Integration der fluktuierenden Erzeugung aus erneuerbaren Energien leisten Ausgewiesene Potenziale nicht vergleichbar Weitere Untersuchungen bzgl. Querschnittstechnologien und Dauer der Lastflexibilisierung notwendig Erhöhung des Produktionswerts und des Stromanteils am Endenergiebedarf in Kombination mit Energieeffizienzmaßnahmen steigern sowohl positives als auch negatives Potenzial 30

29 Ausblick Schwerpunkt der Untersuchung Querschnittstechnologien Schwerpunkt der Methodik Betriebsbegehungen und Messungen Katalog als zentrales Ergebnis Typische Anlagen Einsatzcharakteristika der Anlagen Verschiebbare Lasten Grenzkosten Dauer Schalthäufigkeit Erweiterte Betrachtung Prozesse GHD Befragungen zur Umsetzbarkeit Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Wirtschaftliches Potenzial Praktisches Potenzial Technisches und praktisches Potenzial durch Lastflexibilisierung in Industrie und GHD Technisches Potenzial der abschaltbaren Leistung in MW min 15 min 1 h 4 h restliche Industrie Glasindustrie Maschinenbau Kfz Metallverarbeitung Papierindustrie Chemieindustrie Ernährung FfE _ * GHD - Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) Anna Gruber +49 (89) Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Am Blütenanger München Das Projekt wird finanziert von: 32