REGIONALE ENERGIESPEICHERKONZEPTE

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1 REGIONALE ENERGIESPEICHERKONZEPTE Dr.-Ing. Thomas Aicher Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Workshop am Landratsamt Traunstein 27. Juli 213

2 Die Fraunhofer-Gesellschaft forscht für die Industrie. Führende Organisation für angewandte Forschung in Europa 6 Fraunhofer-Institute Mehr als 2 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 1,8 Mrd. Euro Forschungsvolumen jährlich 3-4 % des Haushalts der Institute aus Industrieaufträgen 2

3 Fraunhofer ISE ist das größte Solarforschungsinstitut Europas. Institutsleiter: Prof. Eicke R. Weber Mitarbeiter: 127 Budget 212: 77, Mio. EUR Gegründet: % Industrieertrag 3

4 Forschungs-/Dienstleistungsangebote am Fraunhofer ISE Forschung Materialien, Modellierung, Methoden Entwicklung Komponenten, Prototypen, Systeme, Verfahren Dienstleistung Beratung, Tests, Monitoring, Qualitätskontrolle 4

5 Geschäftsfelder am Fraunhofer ISE Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Solarthermie Silicium-Photovoltaik Photovoltaische Module und Systeme Alternative Photovoltaik- Technologien Regenerative Stromversorgung Wasserstofftechnologie 5

6 Gruppe Wasserstofferzeugung in Zahlen Stand: Juni Ingenieure, Chemiker, Physiker rd. 15 Studis Haushalt: 1,2 Mio (212) über 15 Jahre Erfahrung Verfahrensentwicklung Prototypensysteme zahlreiche Teststände Gasanalytik, Messtechnik Biomassekonversion Reformierung Energieverfahrenstechnik 6

7 Studie zu 1% Erneuerbare Energien für Strom und Wärme in Deutschland 7

8 Das energieautarke Haus wurde bereits vor 2 Jahren bezogen. Strom aus PV Wasserstoff und Batteriespeicher PEM-Brennstoffzelle Feldtest PV panel Electricity Gas Heat Electrolyser Battery Fuel Cell Storage tanks DC Load Inverter AC load Warm water Cooking Heating Thermal usage Electrical usage 8

9 Inhaltsübersicht Motivation: Klimaschutz Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Fazit Zusammenfassung 9

10 Warum brauchen wir eine Energiewende? Mittel- bis langfristig Begrenztheit fossiler Energieträger Kurzfristig Begrenzte Kapazität der Atmosphäre zur Aufnahme von Treibhausgasen ohne dramatische Veränderung des globalen Klimas Ziele der deutschen Bundesregierung für 25 Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8 bis 95 % (bezogen auf 199) Halbierung des Primärenergieverbrauchs (bezogen auf 28) Anteil erneuerbarer Energien von 6 % am Endenergieverbrauch 1

11 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Fazit Zusammenfassung 11

12 Regenerative Energien-Modell für Deutschland REMod-D Der Versuch eines Blicks in die Zukunft mögliche Struktur eines Energiesystems mit dominantem Anteil erneuerbarer Energien 12

13 PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 146 GW 135 GW 38 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 8 9 Pump-Sp-KW 7 39 GWh 6 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 52 Gasturbine 39 GWel Erdgas 41 GWel 1 GW 46 W-Speicher GWh 5 WP zentral GuD 2 12 GWth H2-Speicher Biomasse 26 GW 25 Gebäude 3 64 Solarthermie 2 Sabatier 2 Methan-Sp GWth Wärmenetze mit.5 GWGas 1 GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzer Strom (Abregelung) KWK-BHKW 1 1 GWel Solarthermie 12 9 W-Speicher 1 W-Speicher 13 GWth 9 GWh Verkehr 16 GWh 8 (ohne Schienenverkehr/Strom) WP zentral 1 Wasserstoff-basierter Verkehr GWth 36 Gas-WP 7 73 Gebäude 82 Traktion 41 1 Gebäude 31 GWth 82 H2-Bedarf 82 2 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 1 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 8 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 3 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 256 GWh %-Wert 21 1 % 29 KLein-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 24 GWth 143 Industrie und Gewerbe Gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 9 Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 63 GWth 296 GWh GWth 3 GWh Solarthermie Gebäude 2 Gaskessel 2 2 Gebäude.3 Geothermie 3 Gebäude 27 GWth GWth 2 1 GWth 3 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Modell-Ansatz Optimierung Energiesystem im eingeschwungenen Zustand Exogene Vorgaben CO 2 -Emissionen verfügbare Menge fossiler Energieträger Strombedarf (ohne Strom für MIV und Wärme) Optimierer Optimierung Strom-Wärme- System (Minimierung jährliche Gesamtkosten) Ergebnisse Installierte Leistung aller Komponenten Größe Speicher Prozesswärmebedarf Industrieprozesse Energiebedarf Verkehr Verfügbare Biomasse erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Umfang energetische Sanierung Gebäude 13

14 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Fazit Zusammenfassung 14

15 Ein mögliches, sinnvolles Zielsystem Energetische Sanierung auf 4 % des heutigen Heizwärmebedarfs Sinnvolle Größe der fluktuierende erneuerbare Energien Wind offshore 39 GW Wind onshore 124 GW Photovoltaik 136 GW Wärmenetze decken 25 % des Wärmebedarfs von Gebäuden moderater Ausbau Wärmenetze Tragende Rolle von Wärmepumpen (WP) 15

16 Wärme Dezentral erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Zentral PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 6 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 5 Gasturbine 43 GWel Erdgas 4 GWel 1 GW 43 W-Speicher GWh 6 WP zentral 2 35 H2-Speicher GuD-KW 11 GWth Biomasse 7 GW 38 Gebäude Sabatier Methan-Sp. 47 GWth Wärmenetze mit. GWgas Solarthermie GuD-KWK Solarthermie dezentral 5 GW th Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 1 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 18 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth 27 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 6 22 Traktion 55 Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 177 GWh % Wert 21 1 % 2 Mini-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in Wärmepumpe 17 GWth 12 Industrie und Gewerbe Netzgebundene Wärme gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth 38 GW th (el., Sole) Brennstoffe 42 5 GW el installierte Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 47 GW th (elektr., Luft) Leistung KWK Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt GWthGW th (Gas) 219 GWh GWth 15 GWh GW th zentrale Solarthermie Gebäude Gaskessel Wärmepumpen Gebäude.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth 126 GWth 2 GWth 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel zentral 5 GW th Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 16

17 Speicher erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 31 GWh 6 Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 6 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 5 Gasturbine 43 GWel Erdgas 4 GWel 1 GW 43 W-Speicher GWh H2-Speicher 6 WP zentral GuD-KW 11 GWth Biomasse 7 GW Pumpspeicherkraftwerke 38 Gebäude 6 47 GWth GWh Wärmenetze mit 74 Solarthermie 26 Sabatier Methan-Sp.. GWgas GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 1 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 18 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth 27 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Zentrale Wärmespeicher 6 22 Traktion 55 Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWh ( 4 große 38 GWth 177 GWh % Wert 21 1 % 2 Mini-BHKW W-Speicher Wärmespeicher GWel (je GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 17 GWth 12 Industrie und Gewerbe 5. m 3 ) gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 Wärmebedarf gesamt el. WP Luft 47 GWth W-Speicher 219 GWh Solarthermie GWth W-Speicher GWh Raumheizung 29 Warmwasser 98 ungenutzt 5 23 Solarthermie Gebäude Gaskessel Gebäude.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth 126 GWth 2 GWth 5 Elektrolyseure 4 GW el (nur Verkehr; kein Power-to-Methan) Dezentrale Wärmespeicher 5 GWh 8 Liter je kw th Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 17

18 Jährliche Gesamtenergiebilanz () Anteil erneuerbarer Energien am PE-Aufkommen: 66 % Reduktion CO 2 - Emissionen des Energiesektors (Bezugsj.199): 86 % Primärenergie End- bzw. Nutzenergie 18

19 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Fazit Zusammenfassung 19

20 Fazit Gesamt Versorgung eines Industrielands wie Deutschland mit erneuerbaren Energie ist möglich Langfristig sind die Kosten vergleichbar mit denjenigen unseres heutigen Versorgungssystems Weitgehende Unabhängigkeit von Weltmarktpreisen fossiler Energien Klimaschutzziele werden erreicht 2

21 Fazit Strom Fluktuierende Stromerzeugung ist nicht nur Rückgrat der klassischen Strombereitstellung, sondern spielt auch für Wärmeversorgung und Mobilität (Individualverkehr) zentrale Rolle Flexiblisierung der Stromerzeugung und nutzung spielt zentrale Rolle Mittelfristig: Kopplung Wärmesektor, Einsatz von Wärmespeichern (WP, Strom direkt als letzte Nutzungsoption) 21

22 Fazit Wärme Zur energetische Sanierung des Gebäudebestands Reduktion Heizwärmebedarf auf rund 3-4 % des heutigen Wertes scheint ein guter Kompromiss Elektrische Wärmepumpen spielen dominante Rolle bei der Wärmeversorgung von Einzelgebäuden Hohe Kompatibilität: Strom kommt überwiegend aus EE und wird dann sehr effizient genutzt 22

23 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Fazit Zusammenfassung 23

24 Zusammenfassung Energiewende in einem Industrieland wie Deutschland möglich und mittel- und langfristig mit vergleichbaren Kosten Dennoch kein Selbstläufer Zunächst höhere Kosten für Investitionen in Infrastruktur und Anlagen Gesellschaftliche Akzeptanz (»Energie-Landschaften«) 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Thomas Aicher 25

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