Hybridnetze: Baustein der Energiewende

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1 Hybridnetze: Baustein der Energiewende Hybridnetze Aktueller Stand und Perspektiven Bereich Anlagentechnik und Verteilungsnetze Johannes Dasenbrock Stand: Fraunhofer IWES - 1 -

2 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES - 2 -

3 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES - 3 -

4 Definition für ein Hybridnetz Unter einem Hybridnetz verstehen wir ein energiedomänenübergreifendes (oder auch intersektorielles) Energiesystem, in dem Energie jeweils in ihrer aktuellen Form verbraucht, gespeichert oder transportiert oder aber über eine Konversion in eine andere Energieform gewandelt werden kann, in der sie wiederum verbraucht, gespeichert oder transportiert werden kann. Quelle: acatech, Hybridnetze für die Energiewende Forschungsfragen aus Sicht der IKT Fraunhofer IWES - 4 -

5 Einleitung - Motivation Bei der Transformation des Energieversorgungssystem ist der führende Prozess die Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie Auf der Transportebene stellen die Strom- und Gasnetze die primäre Infrastruktur Dezentrale Infrastrukturen bilden die Verteilnetze Strom, Gas, Wärme und Wasser Speicher für Gas, Wärme und elektrochemisch für Strom Die Stromerzeugung in der Wasserkraft ist nahezu konstant und bietet wenig Ausbaupotential PV, Wind und Biomasse haben in den letzten Jahren einen signifikanten Anteil an der Stromerzeugung erreicht Herausforderung ist die Speicherung der Energie von fluktuierenden Erzeugern gepaart mit einer intelligenten Laststeuerung Lösungsansätze bieten Hybride Systeme / Netze Fraunhofer IWES - 5 -

6 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES - 6 -

7 Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch erneuerbare Energien Quelle: Sterner, 2009 Fraunhofer IWES - 7 -

8 Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung in Deutschland Beitrag der erneuerbaren Energien zur Strombereitstellung in Deutschland Wasserkraft Windenergie EEG: Januar Biomasse * Photovoltaik EEG: April 2000 EEG: August 2004 EEG: Januar 2009 [GWh] StromEinspG: Januar März 2000 Novelle BauGB: November * Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- und Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig Fraunhofer IWES - 8 -

9 Effizienz konventioneller Kraftwerke und direkter Strom aus erneuerbaren Energien Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008 Fraunhofer IWES - 9 -

10 EE-Bruttostromerzeugung und -verbrauch in Deutschland bis 2050 Fraunhofer IWES

11 Transformation Wärmesektor Fraunhofer IWES

12 Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW Fraunhofer IWES

13 Transformation Verkehrssektor Fraunhofer IWES

14 Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Benzinersatz (regenerativ) Dieselersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Erneuerbares Methan Wasserstoff Strom Gesamtbedarf Quelle: ZSW Fraunhofer IWES

15 Fazit Transformationsprozess Insgesamt ergibt sich ein hohes Potential an Energieeinsparung Eine Vermeidung von CO 2 -Emission Eine Ressourcenschonung von Kohle, Öl und Gas Ein steigender Stromverbrauch aufgrund der Verbrauchsverlagerung in den Strombereich Eine Reduzierung des Energiebedarfs im Verkehrssektor Ein Effizienzgewinn in der Stromerzeugung durch Vermeidung von Wärmeverlusten Fraunhofer IWES

16 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E- Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

17 Power-to-Gas Vorzüge der Kombination der Energienetze Stromnetz Gasnetz Übertragungskapazität Einstellige GW Zweistellige GW 0,04 TWh el Speicherkapazität 220 TWh th + Netze Vor- und Nachteile Quelle: IWES, Hochwertige Energie Hochpreisige Energie - Strom kaum speicherbar + Direkte Nutzung hocheffizient - AC-Übertraggsverl. 3-10% / 1000km Fraunhofer IWES Universeller Energieträger Niedrigpreisige Energie + Große Speicher - Umwandlungsverluste hoch - Übertragungsverluste: 0,5% / 1000 km H 2 Grenzen heute: 2% KFZ; 1% Gas-KW und Speicher

18 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

19 Renewable power (to) methane erneuerbares Methan Wirkungsgrade: 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK vs. 0% durch Abregelung Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009 Fraunhofer IWES

20 Kraftwärme Kopplung Wirkungsgrad am Beispiel Stadtwerke Flensburg Quelle: Fraunhofer IWES

21 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

22 Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Fraunhofer IWES

23 Power-to-Gas Pilotanlagen in Deutschland Audi-e-gas-Anlage, Werlte CH 4 =3900 m 3 /Tag Kiel Hamburg Schwerin RH 2 WKA, Grapzow 1 MW Anschlussl. Bremen Hannover Magdeburg Berlin Potsdam ENERTRAG Hybridkraftwerk, Prenzlau 500 kw Anschlussl. Düsseldorf Erfurt Dresden E.ON-Pilotanlage, Falkenhagen H 2 = 360 m 3 /h SoIarFuel-Alpha- Anlage, Stuttgart 25 kw Anschlussl. Wiesbaden Mainz Saarbrücken Stuttgart cartogis, kW-Power-to-Gaspilotanlage, Stuttgart 250 kw Anschlussl. München Quelle: dena, Fraunhofer IWES

24 Fazit Power-to-Gas Power-to-Gas kann eine Schlüsseltechnologie für die Speicherung und Transformation von elektrischer Energie werden Ermöglicht fluktuierende Erzeugungen langfristig in eine andere Energieform zu speichern Flexible Nutzung der gespeicherten Energie Stromerzeugung, Wärmeprozesse, Verkehr Nutzung vorhandener Infrastruktur Potential zur möglichen Reduzierung der Rohstoffabhängigkeit Nachteilig sind die Umwandlungsverluste je Prozessschritt Viele Projekte in der Entwicklung Wirtschaftliche Bewertungen in Vorbereitung bzw. Projektbestandteil von Pilotanlagen Fraunhofer IWES

25 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

26 Geothermie und Fernwärmenetze Nutzung der natürlichen Wärmequellen Nutzung für Stromerzeugung Prognose bis 2020 nach BEE 3,8 TWh Stromerzeugung Kombination mit Fernwärmenetze Quelle: IET Fraunhofer IWES

27 Energiewandlung und Lastverschiebung Strom Wärme Netze Fraunhofer IWES

28 Energiewandlung und Lastverschiebung Strom Wärme Netze (neuartige Wärmespeicher) Wärme Laden Ruhezustand Speicherung Entladung Wärme Zeolithe sind porös, ihre Oberfläche ist daher enorm groß: Ein Gramm dieser Kugeln hat eine Oberfläche von bis zu 1000 Quadratmetern. Kommt das Material mit Wasserdampf in Berührung, bindet es diesen in den Poren dabei entsteht Wärme. Zur Wärmespeicherung entfernt man das Wasser, indem man das Material unter Wärmezufuhr trocknet. Die Energie ist dann gespeichert, aber anders als bei Wasserspeichern nicht dadurch, dass das Material fühlbar erwärmt ist. Gespeichert wird quasi das Potenzial, Wasser aufzunehmen und dabei Wärme freizusetzen man spricht auch von sorptiven Wärmespeichern. Verhindert man, dass der getrocknete Zeolith mit Wasser in Berührung kommt, kann die Wärme ohne zeitliche Beschränkung gespeichert werden. Langzeitspeicherung Material: Zeolith > 100 C 750 l Tank Faktor 4 effizienter Quelle: Fraunhofer IGB Fraunhofer IWES

29 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

30 E-Mobility - Primärenergetische Reichweite PKW Fraunhofer IWES

31 E-Mobility Integration in die Energieversorgung Fraunhofer IWES

32 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

33 IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Versorgungssicherheit Wirtschaftlichkeit Erzeugung Energieumwandlung Verbrauch Fraunhofer IWES

34 Optimierung Hybrider Systeme durch Leitwarten Ziele: Optimierung von Angebot und Nachfrage aller Sparten Sicherstellung der Versorgungszuverlässigkeit Wirtschaftliches Optimum Quelle: Sterner 2009 Fraunhofer IWES

35 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

36 Speicher Management Netze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Netzausbau Dtl. Netzausbau Europa Netzkopplung Strom-Gas Flexible Erzeugung Flexibler Verbrauch Pumpspeicher Batterien, CAES, Wärmespeicher Power-to-Gas Quelle: IWES, 2011 Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring Fraunhofer IWES

37 Agenda Definition und Einleitung Transformationsprozess Netze Strom und Gas Wirkungsgrade Power-to-Gas und KWK Projekte Power-to-Gas Wärmenetze und Lastverschiebungsmöglichkeiten E-Mobility IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Fraunhofer IWES

38 Perspektiven zur Weiterentwicklung der Hybridnetze Ausblick Großtechnischer Einsatz von Power-to-Gas Optimierung der vorhandenen Infrastruktur Beitrag der Geothermie an die Bereitstellung von Wärme und im geringen Maße an Strom Entwicklung neuer Speichertechnologien zum großtechnischen und massentauglichen Einsatz Ausweitung der E-Mobility mit einem nennenswerten Marktanteil Notwendige Weiterentwicklung der IKT als zentrales Bindeglied für Hybridnetze Ziel Speicherung fluktuierender Energie Reduktion der Netzausbaukosten Erhöhung der Grundlast Erhöhung des Lastverschiebungspotentials Vermeidung CO 2 Optimierung von Erzeugung und Verbrauch Fraunhofer IWES

39 Kontaktdaten Ansprechpartner: Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Königstor Kassel Abteilungsleiter Betrieb Verteilungsnetze Prof. Dr.- Ing. Martin Braun Telefon Fax -200 martin.braun@iwes.fraunhofer.de Johannes Dasenbrock Anlagentechnik und Verteilungsnetze Telefon: Fax johannes.dasenbrock@iwes.fraunhofer.de Fraunhofer IWES