FLEXIBILITÄTSRESERVEN AUS DEM WÄRMEMARKT ZUM AUSGLEICH DER FLUKTURIERENDEN ERNEUERBAREN ENERGIEN

Transkript

1 FLEXIBILITÄTSRESERVEN AUS DEM WÄRMEMARKT ZUM AUSGLEICH DER FLUKTURIERENDEN ERNEUERBAREN ENERGIEN Wolfgang Schulz Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM OE Energiesystemanalyse (ehem. Bremer Energie Institut) 1. WESTFÄLISCHES ENERGIEFORUM Von Unternehmen. Für Unternehmen Dortmund, 4. Juni 2014

2 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 2

3 Hintergrund Energiewende: Sonne und Wind werden die Stromerzeugung in Deutschland prägen Ein mögliches Szenario: 80% Strom aus EE davon: 1/3 onshore Wind 1/7 offshore Wind 1/4 PV 2030 (o. später) zu erwartender Residuallastverlauf (blau) GW Szenario (20) (40) (60) Last Erzeugung Wind, PV & Laufwasser Residuallast aus Norbert Krzikalla et al. (BET): Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien, April 2013 Folie 3

4 Hintergrund Geordnete Dauerlinie der hieraus zu erwartenden Residuallasten Residuallast (RL) (GW) negative I positive GW 163 TWh/a 73% Kalenderjahr (h/a) 26% 46 TWh/a - 84 GW pos. RL = Unterdeckung neg. RL = Überschuss Zeiträume mit Unterdeckung dominieren Folie 4

5 Hintergrund Herausforderung der Zukunft: Ausgleich der Residuallasten insbesondere der jeweiligen Unterdeckung Herausforderung der Zukunft : Senkung des Wärmeverbrauchs insbesondere im Gebäudebestand bleibende Wärmeschutzdefizite müssen durch rationelle Wärmeerzeugungstechnik kompensiert werden Beides spricht für eine maximale Ausnutzung des KWK-Prinzips Maximaler KWK-Effekt (= maximale Brennstoffeinsparung) bei hohen elektrischen Wirkungsgraden Folie 5

6 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 6

7 Herangehensweise Modellbetrachtungen für verschiedene Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Modellfälle Mikro-BHKW Mini-BHKW Groß-BHKW GuD-HKW Einfamilienhaus gr. MFH Wärmenetz gr. Wärmenetz elektr. Leistung (kw ) el ( ) therm. Leistung (kw ) th 5,7 32, Brennstoffleistung (kw ) FWL 7,0 60, elektr. Wirkungsgrad (η ) el 15% 33% 41% 46% (53%) therm. Wirkungsgrad (η ) th 81% 54% 46% 42,1% Folie 7

8 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) entsprechend aktueller KWK-Förderung und aktueller* Energiepreise [* 2012, Zeitpunkt der KWKG-Novell.] A KWK-Anlage (wärmegeführt) Vh/a Stromerlös (KWKG + Markt) Wärmeerzeugungskosten A Folie 8

9 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) entsprechend aktueller KWK-Förderung und aktueller* Energiepreise [* 2012, Zeitpunkt der KWKG-Novell.] Betrieb entsprechend der Wärmebedarfsprofile 100% 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 80% 60% 40% 20% ab 1 MW Vbh/a 20 kw Vbh/a 1 kw Vbh/a 0% Zeit t in h 0% Zeit t in h Folie 9

10 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise Vollständige Wärmeversorgung des jeweiligen Versorgungsfalls bei gleichen spezifischen Wärmekosten wie im Referenzfall unter zusätzlicher Berücksichtigung der für 2030 erwarteten stromseitigen Residuallastverhältnisse Annahme, dass sich die Residuallast voll auf die Börsenstrompreise auswirkt Ermittlung notwendiger zusätzlicher Erlöse Folie 10

11 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise A B KWK-Anlage (wärmegeführt) Vh/a KWK-Anlage (stromgeführt) (4.000 x) Vh/a Stromerlös (KWKG + Markt) Wärmeerzeugungskosten A Wärmeerzeugungskosten A Stromerzeugungskosten B Die Mehrkosten der Flexibilität ergeben sich dann aus der Differenz der Stromerzeugungskosten B und des Stromerlöses A Folie 11

12 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise Einbeziehung von Wärmespeichern (welche Kapazität ist sinnvoll?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Folie 12

13 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise Einbeziehung von Wärmespeichern (welche Kapazität ist sinnvoll?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Wirtschaftlicher Vergleich der KWK ggü. alternativ möglichen flexiblen Kraftwerken Gasturbinen-Kraftwerke und GuD-Kraftwerke als Alternativen Folie 13

14 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise (Referenzfall) Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise Einbeziehung von Wärmespeichern (welche Kapazität ist sinnvoll?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Wirtschaftlicher Vergleich der KWK ggü. alternativ möglichen flexiblen Kraftwerken Ermittlung von Flexibilitätspotenzialen anhand der Modellergebnisse Folie 14

15 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 15

16 Modellbetrachtungen Wärmebedarfsprofil: Stromresiduallastprofil 2030: 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (positive RL) zusammen? Folie 16

17 Modellbetrachtungen Wärmebedarfsprofil: Stromresiduallastprofil 2030: 100% Wärmelast 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (pos. RL) zusammen? bei hoher Auslegung der KWK bei niedriger Auslegung der KWK wärmegeführt stromgeführt Vh/a Vh/a Vh/a Vh/a Folie 17

18 Modellbetrachtungen Wärmespeicher können den Verlust an Auslastung teilweise kompensieren (gezeigtes Beispiel: 1 MW-BHKW, druckloser Speicher) Volllaststunden des BHKW (h/a) ursprünglich 4000 Vh/a ursprünglich 6000 Vh/a h/a 6 h 12 h h/a Wärmespeichervolumen in m³ Folie 18

19 Modellbetrachtungen Die Kosten ( /m³) für Wärmespeicher sinken mit zunehmender Speichergröße drucklose Speicher dezentrale Wärmespeicher Großspeicher spez. Investition ( /m³) Wärmespeichervolumen (m³) spez. Investition ( /m³) Wärmespeichervolumen (m³) Quelle: IUTA 2002 Eigene Ermittlung Folie 19

20 Modellbetrachtungen Welche Speichergröße ist schließlich sinnvoll? Zuwachs an Vollbenutzungsstunden des BHKW (Vh/a) m³ / 12 h für 24,3 /(kwel*a) 100 m³ / 3,1 h für 9,5 /(kwel*a) 200 m³ / 6,2 h für 15,3 /(kwel*a) Jahreskosten des Wärmespeichers bezogen auf die elektr. Leistung des BHKW ( /(kwel*a)) Beispiel eines 1 MW-BHKW + druckloser Speicher Folie 20

21 Modellbetrachtungen Schließlich in den Modellfällen gewählt: Speicher Mikro- BHKW Mini- BHKW Groß- BHKW GuD- HKW Volumen (m³) spezif. Investitionskosten ( /m³) * Reichweite (h) bei 30 K Temperaturspreizung * bereits in der Investition des BHKW enthalten Folie 21

22 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer niedrige hohe E-Heizer: 200 h/a Auslegung E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Folie 22

23 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? stromgeführt stromgeführt Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer E-Heizer: 200 h/a E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Folie 23

24 Modellbetrachtungen Wie beeinflusst ein zusätzlich einbezogener Elektroheizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? stromgeführt stromgeführt Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer E-Heizer: 200 h/a E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Anmerkung: der E-Heizer arbeitet in den Momenten höchster negativer Residuallast Für große KWK-Anlagen ergeben sich akzeptable Kostenaufschläge Folie 24

25 Modellbetrachtungen Welche Rolle spielt die Auslastung der KWK-Anlagen bei den Erzeugungskosten? 500 Stromerzeugungskosten /MWh kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) Wärmeverteilungskosten berücksichtigt jährliche Vollbenutzungsstunden Große KWK-Anlagen verkraften eine reduzierte Auslastung besser als kleine Folie 25

26 Modellbetrachtungen Wo liegen die Erzeugungskosten im Vergleich zu neuen Kraftwerken? 500 Stromerzeugungskosten /MWh kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) GuD-Kraftwerk GT-Kraftwerk Wärmeverteilungskosten berücksichtigt jährliche Vollbenutzungsstunden Die spez. Vollkosten der Kraftwerke sind im relevanten Bereich höher als bei den großen KWK-Anlagen Folie 26

27 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Einfamilienhaus (12 kw th,1m³ Speicher) (hier: Betrieb bei negativer RL bis + 7 GW RL entsprechend 10% max. RL) Erzeugungsanteil der Wärmepumpe Eine Verknüpfung von WP + KWK ist in dieser Leistungsklasse unwahrscheinlich Die gewünschte Flexibilität macht hier bivalente Systeme erforderlich (z.b. WP + Heizkessel); selbst wenn sehr große Speicher integriert werden 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wärmeleistung der Wärmepumpe (kw) Folie 27

28 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Wärmenetz, 1 MW-BHKW m³ Speicher + Großwärmepumpe + Heizkessel (hier: Umschaltpunkt WP/BHKW bei + 7 GW RL entspr. 10% max. RL) BHKW Vh/a Auslastung der Wärmepumpe (Vh/a) % Leistung der Wärmepumpe (kw) Hier stellen BHKW und Wärmepumpe eine ideale Ergänzung dar (Heizkesseleinsatz entfällt rechnerisch) Wärmenetze sind hierfür eine wichtige Voraussetzung 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Wärmeerzeugungsanteil Auslastung der WP (Vh/a) Erzeugungsanteil WP Erzeugungsanteil Heizkessel Folie 28

29 Modellbetrachtungen Erzeugungskosten der Wärmepumpen in Abhängigkeit von deren Auslastung 35 Wärmekosten (ct/kwh) "1 kw Fall" "20 kw Fall" "1 MW (6000 h/a) Fall" "1 MW (4000h/a) Fall" Wärmeverteilungskosten berücksichtigt Auslastung der Wärmepumpe (Vh/a) Groß-Wärmepumpen reagieren weniger empfindlich auf eine verminderte Auslastung als dezentrale Wärmepumpen Folie 29

30 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 30

31 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Fernwärmebestand und -potenzial gemäß M.Blesl, IER 2010 Folie 31

32 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Ausgleichspotenziale 35 GW positive RL Fernwärmebestand und 41 GW negative RL -potenzial gemäß M.Blesl, IER 2010 Mehrkosten flexibilisierter KWK-Fahrweisen ca. 600 Mio. /a Jahreskosten für Wärmespeicher (12 h Reichweite) ca. 500 Mio. /a Folie 32

33 Perspektiven Mögliche Residuallastabdeckung bei voller Ausschöpfung der Wärmenetzpotentiale Residuallast in 2030 (GW) KWK Kalenderjahr (h) Elektroheizer Folie 33

34 Perspektiven Wärmenetze sind zudem für eine hochgradige Einbindung von Solarthermie (Flächenertrag ggü. PV bis zu 4-fach!) Abwärme KWK auf der Basis von Biomasse (Tiefen-) Geothermie in die Wärmeversorgung wichtig Folie 34

35 Perspektiven Dänische Impressionen

36 Perspektiven Beispiel Ringköbing: Erzeugungsprotokoll für 14 Tage

37 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der zugrunde gelegten Untersuchung Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 37

38 Handlungsempfehlungen bereits jetzt: Erhalt und Ausbau von Wärmenetzen KWK als wichtigster Treiber für Wärmenetze Verbesserung der Fördersituation der dafür geeigneten KWK > 500 kw Unterstützung durch Wärmekataster/Wärmepläne Planungshorizont erweitern Dänische Alternative: Verschärfung der Abgaben auf unerwünschte Energieträger Absenkung der Netztemperaturen Folie 38

39 Handlungsempfehlungen Erhalt und Ausbau von Wärmenetzen allmählich: Förderung der KWK stärker auf flexible Betriebsweise ausrichten Anreiz für eine hohe Auslegung der KWK schaffen Einbindung von Wärmespeichern Raum für die Einbindung von Großwärmepumpen, Solarthermie etc. schaffen Folie 39

40 Handlungsempfehlungen Erhalt und Ausbau von Wärmenetzen Förderung der KWK stärker auf flexible Betriebsweise ausrichten in naher Zukunft: Preise für Überschussstrom verringern und flexibilisieren für eingebundene Elektroheizer mit nachweisbaren Systemmehrwert Absenkung der Umlagen bzw. Steuern Folie 40

41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung - IFAM OE Energiesystemanalyse Wiener Straße Bremen Germany Web: Wolfgang Schulz Tel.: ++49 (0) Wolfgang.Schulz@ifam.fraunhofer.de Folie 41