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1 Präsentationen zur Studienveröffentlichung 0

2 Power-to-Heat in Hybridheizungen Motivation für die Studie Simon Jastrzab

3 Aspekte der Energiewende

4 Also alles OK? ll Das Tempo des Netzausbaus bestimmt das Tempo der Energiewende Tennet vermisst Rückhalt der Politik für Stromnetzausbau Berlin, 19. November Angesichts der weit verbreiteten Bürgerproteste gegen den Bau neuer Stromleitungen für die Energiewende hat der Netzbetreiber Tennet mangelnden Rückhalt in der Politik beklagt 3

5 Also alles OK? Stromspeicher nicht verfügbar/zu teuer: Hohe Strompreise: Energiewende im Wärmemarkt kommt nicht voran

6 Herausforderung Erneuerbare Energien Leistung von 25 Atomkraftwerken Orkan "Elon" liefert Windstromrekord In nur vier Wochen sorgen zwei gewaltige Stürme für Superlative bei der Windstrom- Produktion. In beiden Fällen müssen die Netzbetreiber massiv eingreifen, um Überlastungen zu verhindern. Allein Tennet kostet dies Millionen. n-tv.de,

7 Flexibilität als eine Antwort Flexible Nachfrage: Bei geringer Residuallast kann mit Strom auch direkt Wärme erzeugt und damit Heizöl bzw. Gas eingespart werden Grünbuch des BMWi, Kapitel 3 6

8 Der Strommarkt 7

9 und der Wärmemarkt 8

10 und der Wärmemarkt 9

11 wachsen zusammen 10

12 und nutzen Strom-Angebotsspitzen 11

13 Weitere Option: Nutzung von PV-Strom 12

14 zur Wärmeerzeugung 13

15 Arten des Power-to-Heat Stroms 1. Börsengehandelter Strom Funktion: Abfederung von Einspeisespitzen 2. negative Regelleistung auf Übertragungsnetzebene Funktion: Sicherung der Netzstabiliät 3. Dezentral erzeugter PV-Strom Funktion: Alternative zur Stromspeicherung vor Ort / Netzeinspeisung 14

16 Wesentliche Fragestellungen: Welche Amortisationszeiten sind für Betreiber möglich? Wieviel ansonsten abgeregelter Strom kann zukünftig in Hybridheizungen eingebunden werden? Welche Rahmenbedingungen müssen noch geschaffen werden? 15

17 Power-to-Heatin Hybridheizungen Die ökonomischen Potenziale der Vernetzung von Strom- und Wärmemarkt Michael Bräuninger, Lars Ehrlich, Jonas Klamka, André Wolf

18 Herausforderungen durch die Energiewende: Fehlende Synchronität von Erzeugung und Verbrauch von Strom Beispiel: Weihnachten 2012 MWh MWh Einspeisemengen Strom aus Windkraft und Photovoltaik Stromverbrauch insgesamt Börsenpreis Spotmarkt EEX /MWh , 13 Uhr , 15 Uhr , 17 Uhr , 19 Uhr , 21 Uhr , 23 Uhr , 1 Uhr , 3 Uhr , 5 Uhr , 7 Uhr , 9 Uhr

19 Zukünftige Entwicklung des Erzeugungsmix Entwicklung installierte Stromerzeugungskapazitäten nach EEG-Novelle 2014 GW 80 75, ,0 52,0 52, ,0 37, , ,4 17,3 15, ,1 6,5 2,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0, Wind onshore Wind offshore Photovoltaik Quelle: BMWI (2014c); HWWI (2014)

20 Existierende Regelinstrumente: Speicher Stromspeicher Das Zwischenspeichern von Strom ermöglicht die (begrenzte) Überbrückung zeitlicher und räumlicher Ungleichgewichte Zentrale Speichertechnologien Pumpspeicher (ca. 5,65 GW) Druckluftspeicher Power to Gas/Wasserstoff Dena-Speicherstudie (2010): Massiver Ausbau notwendig Pumpspeicher haben negative externe Effekte: Hoher Flächenverbrauch Starke Eingriffe in Umwelt und Landschaftsbild Andere Speichertechnologien noch kaum entwickelt und unrentabel

21 Existierende Regelinstrumente: Lastregulierung Prozent 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0.00 Uhr 2.00 Uhr 4.00 Uhr 6.00 Uhr 8.00 Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Quellen: E.On (2013); Eigene Berechnungen Anteil Stunden- am Tagesstromverbrauch für Haushalte und Unt. Unternehmen Haushalte Lastregulierung Unternehmen: Freiwillige Vereinbarungen (Lastmanagement nach 14 EnWG) Haushalte: Bisher geringe Potenziale, die weiter abnehmen, da Geräte immer effizienter werden

22 Integration des Heizsystems in die Stromversorgung

23 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen

24 Derzeitige Residuallast auf Stundenbasis 1. Informationen über viertelstündliche Erzeugungsdaten im Bereich Wind- und Solarenergie 2. Stündliche Daten zu Lastgängen im Jahresverlauf Residuallast Deutschland 2012 (Tagessummen) GWh Quellen: EEX, Übertragungsnetzbetreiber, ENTSOE (2014)

25 Prognose für die Residuallast auf Stundenbasis Skalierung der stündlichen Erzeugung im Beispieljahr 2012 auf das Jahr 2020 und 2032 Grundlage: Studien zur Entwicklung installierter Kapazitäten und Auslastungsgrade von Windkraft / Photovoltaik Annahme: Konstanter Stromverbrauch Prognosen: Installierte Kapazitäten 2020 und 2032 (GW) Wind onshore Wind offshore 0,6 6,5 28 Photovoltaik 37,

26 Prognose des Börsenpreises von Strom

27 Markt für Regelenergie: Das Design 5 Minuten 15 Minuten PRL SRL MRL Ausgleich durch betroffenen Bilanzkreisverantwortlichen 30 Sekunden 1 Stunde Minimale Angebotsgröße Primärregelleistung (PRL) Sekundärregelleistung (SRL) Minutenreserveleistung (MRL) 1 MW 5 MW 5 MW Vorlaufzeit 30 Sekunden 5 Minuten 15 Minuten Ausschreibungszeitraum wöchentlich wöchentlich täglich

28 Markt für Regelenergie: Die Leistungspreise Durchschnittlicher Leistungspreis in Euro pro MW und Tag. Grau MRL, rot SRL Deutlicher Zuwachs der Kosten für Minutenreserveleistungsvorhaltung zwischen 2012 und 2013.

29 Markt für Regelenergie: Die zukünftige Entwicklung + - Ausbau der Erneuerbaren führt zu mehr inflexibler, schwankender Erzeugung. Konventionelle Kraftwerke werden verdrängt. Verbesserungen der Prognosetechnik erlauben bessere Steuerung. Überregionale Kooperation und zunehmende Liquidität ermöglichenkurzfristigen Fahrplanausgleich. Konservative Annahme: Konstanter Bedarf

30 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen

31 Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen Verteilung des Wärmeverbrauchs über den Tag Wärmebedarf wird über Strom gedeckt, sofern dies günstiger ist Der bauliche Wärmeschutz variiert nach Modernisierungszeitpunktund Alter => der spezifische Endenergieverbrauch für Wärme liegt zwischen kwh/qm p.a.

32 Annahmen zum Strompreis für Heizen Szenario Status Quo Szenario PtH-Strom Börsenpreis Börsenpreis + + ca. 16 ct/kwh für Netzentgelt 6,052 ct/kwh + EEG-Umlage 6,24 ct/kwh + Konzessionsabgabe 1,59 ct/kwh + Stromsteuer 2,05 ct/kwh ca. 10 ct/kwh für Netzentgelt + EEG-Umlage + Konzessionsabgabe + Stromsteuer + + MwSt19 % MwSt19 % Im Folgenden angenommen

33 Jährliche Ersparnis durch die Hybrid-Technologie bei variablen Stromtarifen Brennstoffpreise Konstant Brennstoffpreise im Trend Verbrauch in kwh Monetär in Verbrauch in kwh Monetär in Jahr Jahr

34 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Chancen 1) PtH-Heizungen können als virtuelles Kraftwerk (Pool) negative Minutenreserveleistunganbieten. 2) Privater Nutzen: Erlösen am Regelenergiemarkt. 3) Gesellschaftlicher Nutzen: Kostengünstigere Bereitstellung der Regelenergie. 1) Vorschriften zur Präqualifikation von Regelenergie-Anbietern sind für großen Anbietern ausgelegt. 2) Hohe Kosten für die Präqualifizierung vieler kleiner Einheiten im Pool. 3) Die IKT zum Abrufen der Regelleistung ist noch teuer. Es besteht ein erhebliches Kostensenkungspotenzial. Hindernisse

35 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Beispielrechnung: Annahmen: Minimaltemperatur: 35 ºC; Maximaltemperatur: 85 ºC Zeitscheibe: 00:00 bis 04:00 Uhr Gebotsgröße: 5 MW Teilnehmer: 834 Heizungen je 6 kw Heizstab(5004 kw) Speichervolumen: 500/750/1000 Liter Wärmeprofil vom Durchschnittshaushalt IKT-/Präqualifizierungs-/Poolbetreiberkosten nicht berücksichtigt Angebot zum Durchschnittspreis

36 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Methodik zur Berechnung des Erlöspotenzials: 1. Ladung am um 04:00 Uhr 2. Speichertemperatur abzüglich des Verbrauchs und der Bereitschaftsverluste 3. Neue Ladung am nächsten Tag um 04:00 Uhr, falls um 00:00 Uhr Differenz zwischen aktueller Speichertemperatur und Maximaltemperatur ausreicht, um 4h den Heizstabbei voller Leistung zu betreiben. Speichervolumen 500 Liter 750 Liter 1000 Liter Tage ohne Ladung

37 Amortisationsrechnung: Investitionskosten Beispielrechnung: Mehrkosten bei Heizungsmodernisierung Kostenseite + Pufferspeicher mit Trinkwarmwasserstation PtH-tauglicher Elektroheizer Trinkwarmwasserspeicher alleine 700 Gesamt Investitionskosten Erlösseite Ersparnis in der Wärmeerzeugung Zu erwartende Bereitschaftsentgelte aus der Bereithaltung von Regelenergie

38 Amortisationsrechnung Investitionskosten Einsparungen konst. Brennstoffkosten 64 /a Erlöse aus Regelenergie 28,5 /a Amortisationszeit 19,3 Jahre Trend Brennstoffkosten 9,5 125,1 /a Jahre

39 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen

40 Gesamtwirtschaftliche Potenziale Ermittlung Erzeugungsüberschüsse: Vorgehensweise Bestimmung des Schwellenwerts aus dem Zusammenhang zwischen Residuallast und Börsenpreisen Intuition: Zu Preisen unterhalb des Schwellenwerts sollte selbst Grundlasterzeugung aus dem Markt gedrängt werden Das wäre bei Preisen der Fall, die die Gestehungskosten von Kernkraft und Braunkohle nicht mehr decken Schwellenwert: Residuallast ~3 /

41 Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen 2013 gab es in Deutschland rund 5,8 Mio. (ca. 30 %) mit Heizöl und über 13 Mio. (ca. 64 %) mit Gas betriebene zentrale Wärmeerzeuger. Davon befinden sich etwa 85 % in Ein- und Zweifamilienhäusern. Alle ab 2014 neuinstallierten Brennwertkessel sind potenzielle PtH-Hybridheizungen. Annahme: Nur bei 20% wird tatsächlich eine PtH-Hybridheizung installiert. Zwei Szenarien für die Zahl der Modernisierungen: Szenario 1: Fortschreibung der Modernisierungsrate aus der jüngeren Vergangenheit von Öl- und Gas-Brennwertkessel Szenario 2: Verdopplung der Heizungsmodernisierung

42 PtH-Überschussstromnutzungsquote Optimaler Heizstromverbrauch der einzelnen Anlage Der volkswirtschaftlich erwünschte Beitrag zur Netzstabilität wird durch die Preisszenarien determiniert 2032 Modernisierung im Trend Bei Spitzenlasten geringere PtH-Überschussstromnutzungsquote. Höhere PtH-Anteile führen zu höheren Quoten Verstärkte Modernisierung Szenario Brennstoff konstant Brennstoff Trend Brennstoff konstant Brennstoff Trend PtH-Preise 4,7 % 14,7 % 7,8 % 25,2% PtHallein reicht nicht zur Stabilisierung, kann aber mit schon heute vorhandenen und rentablen Technologien beitragen Weiterer positiver Effekt: Sinkende Kosten der Regelenergie

43 Gesamtwirtschaftliche Potenziale der Nutzung von dezentralem PV-Strom Jahresende 2013: ca. 1,4 Millionen installierte PV-Anlagen in Deutschland (ca. 35,7 GW Leistung) Enge räumliche Korrelation mit Ölheizungen Nutzung von überschüssigem PV-Strom als Wärmequelle: Entlastung ländlicher Verteilnetze, reduziert den Ausbaubedarf Bei Erreichen von Ölparität zudem Kostenersparnis auf individueller Ebene denkbar Vorgehen: Ermittlung des physischen Potenzials von PV zur zukünftigen Deckung des Wärmebedarfs Leitung von überschüssigem PV-Strom (nach Deckung des Eigenbedarfs an Strom) in den Heizstab zur Wärmeerzeugung

44 Schätzung der Potenziale von dezentralem PV-Strom 1. Schätzung von Erzeugungspotenzialen nach Standort und Anlagengröße Liefert Durchschnittserzeugung in sehr feiner räumlicher Auflösung für einzelne Monate Ermöglicht ortsgleiche Schätzungen von PV-Erzeugung und Wärmebedarfen 2. Schätzung des monatlichen Stromverbrauchs Verbrauch eines 4-Personen-Haushaltes im Jahr 2012 Verteilung über Monate mittels synthetischer Lastprofile 3. Schätzung des monatlichen Wärmebedarfs Bundeslandspezifische Heizlastprofile Division der kumulierten Monatswerte durch Anzahl an Brennwertheizungen im Bundesland

45 Ergebnis: Nutzung von dezentralem PV-Strom für Wärmebedarf Monatlicher Wärmebedarf und PV-Erzeugung für ein Einfamilienhaus: Regensburg kwh März April Mai Juni Juli August September Oktober November Wärmeverbrauch Stromüberschuss 3 kwp Stromüberschuss 5 kwp Stromüberschuss 10 kwp Quelle: Europäische Kommission, HWWI (2014)

46 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen

47 Fazit Dezentrale PtH-Hybridheizungen 1 können bei künftigen Modernisierungen von Öl-und Gasheizungen zu relativ geringen Kosten installiert werden. 2 sind mit heutigen Technologien realisierbar und rentabel. 3 haben durch ihre flexible Stromnachfrage ein hohes Potenzial für die Nutzbarmachung von überschüssigem EE-Strom. 4 tragen zur Stabilisierung der Netze bei. Aufgrund der räumlichen Nähe der PtH-Hybridheizungen zu den EE-Erzeugungsanlagen gilt dies besonders für die Verteilnetze. 5 führen zu einer Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien im Wärmebereich.

48 Handlungsempfehlungen Zur Sicherstellung der einzelwirtschaftlichen Rentabilität von PtH-Hybridheizungen 1 sollte die Belastung von PtH-Strompreisen durch Abgaben und Umlagen möglichst gering gehalten werden. 2 sollte eine Senkung der Zugangsbarrieren für PtH- Hybridheizungen am Markt für Regelenergie erfolgen. 3 sollten flexible Strompreise auf Haushaltsebene eingeführt werden. Der Ausbau der Infrastruktur von Informations-und Kommunikationstechnik sollte gefördert werden.

49 Konsequenzen für den Strom- und Wärmemarkt Lutz Mertens

50 PtH in Hybridheizungen Chancen für den Wärmemarkt PtH ist eine Option, vermehrt EE in den Wärmemarkt zu integrieren Einmalige Investition in PtHfähige Hybridheizung ermöglicht zunehmend größer werdenden Anteil EE an der Wärmebereitstellung PtH-Hybridheizungen nutzen Strom nur im Angebotsfall Elektrische Leistung muss nicht gesichert vorgehalten werden 49

51 PtH in Hybridheizungen Effiziente Stromnutzung Geringe Transportverluste gewährleisten effiziente Nutzung des Stromes Ein stets verfügbarer Energieträger bleibt als Back-up-Energie unentbehrlich 50

52 Ölheizung besonders vorteilhaft für die Nutzung von Strom in Hybrid-Heizsystemen Wärmemarkt besitzt großes Potenzial zur Aufnahme von Strom-Überschüssen Ölbeheizte Gebäude in regionaler Nähe zu Windkraftanlagen und Groß-Photovoltaik-Anlagen Ölbeheizte Gebäude häufig mit Keller: Raum für Pufferspeicher vorhanden Leitungsungebundene Energieträger vermeiden Kosten für Netzinfrastruktur 51

53 PV-Eigenstromerzeugung PtH wirtschaftlicher als Netzeinspeisung Attraktivität von PV-Eigenstromerzeugung wächst, wenn die Wandlung nicht als Elektrizität genutzter Erträge in Wärme wirtschaftlicher ist, als Netzeinspeisung 52

54 PtH als weiterer Energieträger in Hybridheizungen Potential zum Eintritt in den Wettbewerb mit anderen Energie- Effizienzmaßnahmen Kostengünstige Technik ermöglicht kurze Amortisationsdauer Sollte zu einer Erfüllungsoption für bestehende Vorgaben zur Nutzung von EE im Wärmemarkt werden 53

55 PtH reizt Heizungsmodernisierung an Hemmschwelle zur Heizungsmodernisierung wird durch PtH in Hybridheiztechnik gesenkt, da größerer Nutzen Nachfrage nach kostengünstigen Einbindungsmöglichkeiten für EE groß Innovatives Image, da Lösung für aktuelles energiepolitisches Thema angeboten wird 54

56 Handlungsempfehlungen an die Politik Welcher Anpassungen bedarf es, um das Potenzial von PtH in Hybridheizungen zu heben? 55

57 Dynamische Stromtarife für private Stromkunden einführen Aktivierung der PtH-Technologie dann, wenn Wärmeerzeugung durch Strom wirtschaftlicher ist, als durch Brennstoffeinsatz Beschleunigt Integration EE: Abregelung von EE-Stromerzeugungsanlagen wird vermieden PtH als zusätzlicher Verbraucher stützt in Phasen negativer Strompreise den Preis an der Börse. Damit wird die EEG-Umlage entlastet Beitrag zur Reduktion gesicherter Kraftwerksleistung 56

58 Ausschließlich strombasierte Heizsysteme erfordern gesicherte Leistung Der Strombedarf ausschließlich strombasierter Heizsysteme kann durch fluktuierende EE nicht kontinuierlich sicher gedeckt werden Reservekraftwerkskapazitäten nötig Die Kosten für diese sollten verursachergerecht zugeordnet werden, z.b. durch Einführung einer leistungsabhängigen monatlichen Grundgebühr 57

59 Abgaben und Entgelte für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren keine Subvention, da Verbraucher entlastet werden: Zusätzlicher Stromverbrauch (PtH), der bisher keinen Beitrag zu den Abgaben und Entgelten geleistet hat, trägt nun einen Teil der Last Nur für Stromverbraucher, die extern steuerbar sind und auch dauerhaft abgeschaltet werden können 58

60 Netznutzungsentgelte für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren Nutzung von Strom aus ansonsten abgeregelten EE- Erzeugungsanlagen in extern steuerbaren Stromverbrauchern ist ohne zusätzliche Netzkosten möglich: Externe Steuerung erfolgt gerade so, dass Betrieb mit den vorhandenen Netzen möglich ist Durch die Nutzung des ansonsten abgeregelten EE-Stroms entstehen somit zusätzliche Einnahmen aus Netzentgelten 59

61 Reduzierung der EEG-Umlage für ansonsten abgeregelten Strom PtH leistet Beitrag zur Erreichung des EE-Wärmeziels von 14 % bis 2020 (EEWärmeG). Denn sie führt zur Substitution von fossilen Brennstoffen und erhöht somit den EE-Anteil im Wärmesektor PtH entlastet die EEG- Umlage durch die Vermeidung der Abregelung von EE-Anlagen Verbraucher erhalten die von ihnen getragene EEG- Umlage anteilig zurück Quelle: Umweltinstitut München 60

62 Konzessionsabgabe für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren Keine Einnahmen durch Konzessionsabgaben für aufgrund von negativen Börsenpreisen bislang abgeregelten Strom Wird Nutzung von PtH-Strom durch Reduktion der Konzessionsabgabe für Endverbraucher attraktiv, können Stromnetze intensiver ausgelastet werden. Zusätzliche Konzessionseinnahmen können erschlossen werden 61

63 Intelligente Netznutzung vergüten Finanzielle Anreize für Stromnetzbetreiber schaffen, in intelligente Lösungen zur Optimierung der Netzauslastung zu investieren Diese Investitionen müssen sich zeitnah refinanzieren lassen 62

64 Primärenergiefaktor fp = 0 für in PtH- Hybridheizungen genutzten Strom Bewertung von erneuerbaren Strom der ansonsten abgeregelt würde im Rahmen der Energieeinsparverordung (EnEV) mit einem Primärenergiefaktor fp = 0 in PtH-fähigen Hybridheizungen Voraussetzung: Heizsystem kann durch externe Ansteuerung jederzeit und beliebig lange vom strombasierten Heizgerät auf ein alternatives, stromunabhängiges Heizgerät wie z. B. einen Brennwertkessel umgeschaltet werden 63

65 Fazit Die Nutzung von Power-to-Heat in Hybridheizungen ist mit verfügbarer Technik realisierbar hat ein hohes Potenzial, Strom aus EE in den Markt zu integrieren den Anteil EE im Wärmemarkt zu erhöhen Hierfür bedarf es variabler Strompreise einer Reduktion von Abgaben und Entgelten auf ansonsten abgeregelten Strom 64

66 Weitere Informationen zu dem Thema finden Sie unter: Der Inhalt dieser Datei ist Eigentum des Instituts für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO). Layout und textliche Inhalte dieser Präsentation sowie der verwendeten Grafiken unterliegen dem Urheberrecht und anderen Gesetzen zum Schutz des geistigen Eigentums. Für die Verwendung, Veränderung und Vervielfältigung ist daher die ausdrückliche Genehmigung von IWO erforderlich. Insbesondere ist es verboten, die Inhalte zu verändern und zu kopieren und auf andere Weise zu verwenden. Dies gilt auch für die auszugsweise Verwendung von Inhalten. IWO hat sich bei Erstellung der Folien um Aktualität und inhaltliche Richtigkeit bemüht; sollten die Folien dennoch fehlerhaft sein oder werden, haftet IWO dafür nicht. 65