AUSGLEICH FLUKTUIERENDER WINDKRAFT- UND PV- EINSPEISUNGEN MITHILFE ENERGIEEFFIZIENTER VER- KNÜPFUNGEN DER WÄRME- UND STROMVERSORGUNG

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1 AUSGLEICH FLUKTUIERENDER WINDKRAFT- UND PV- EINSPEISUNGEN MITHILFE ENERGIEEFFIZIENTER VER- KNÜPFUNGEN DER WÄRME- UND STROMVERSORGUNG Wolfgang Schulz Berater des IFAM Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung OE Energiesystemanalyse (ehem. Bremer Energie Institut) Berliner Energietage 2015 Energieeffizienz: Tragende Säule des Klimaschutzes Veranst.: Bundesministerium f. Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) Berlin, 27. April 2015

2 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der BEE/AGFW-Studie Erkenntnisse hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 2

3 Hintergrund BEE-AGFW-Studie Flexibilitätsreserven aus dem Wärmemarkt 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 Residuallast (RL) (GW) negative I positive Hintergrund Geordnete Dauerlinie der hieraus zu erwartenden Residuallasten Kalenderjahr (h/a) Folie 4

5 Residuallast (RL) (GW) negative I positive Hintergrund Geordnete Dauerlinie der hieraus zu erwartenden Residuallasten GW % 26% pos. RL = Unterdeckung 163 TWh/a neg. RL = Überschuss 46 TWh/a Kalenderjahr (h/a) - 84 GW Zeiträume mit Unterdeckung dominieren Folie 5

6 Hintergrund Herausforderung der Zukunft damit: Ausgleich der Residuallasten insbesondere der jeweiligen Unterdeckung Herausforderung der Zukunft aber auch: Senkung des Wärmeverbrauchs insbesondere im Gebäudebestand bleibende Wärmeschutzdefizite müssen durch rationelle Wärmeerzeugungstechnik kompensiert werden Folie 6

7 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 7

8 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der BEE/AGFW-Studie Erkenntnisse hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 8

9 Herangehensweise Modellbetrachtungen für verschiedene Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind (Modellfälle) 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 9

10 Wärmelast Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind (Modellfälle) Wirtschaftlicher Vergleich der wärmegeführten (A) und der stromgeführten (A+B) Fahrweise der KWK-Anlagen bei voller Wärmeversorgung der Modellfälle A Wärmebedarf B Strom: Residuallast (2030) 100% 80% 60% 40% 20% 0% Zeit t in h Folie 10

11 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind (Modellfälle) Wirtschaftlicher Vergleich der wärmegeführten (A) und der stromgeführten (A+B) Fahrweise der KWK-Anlagen bei voller Wärmeversorgung der Modellfälle Einbeziehung von Wärmespeichern (welche Kapazität ist sinnvoll?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Folie 11

12 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind (Modellfälle) Wirtschaftlicher Vergleich der wärmegeführten (A) und der stromgeführten (A+B) Fahrweise der KWK-Anlagen bei voller Wärmeversorgung der Modellfälle Einbeziehung von Wärmespeichern (welche Kapazität ist sinnvoll?), Elektrodirektheizern, Elektro-Wärmepumpen Wirtschaftlicher Vergleich der KWK ggü. alternativ möglichen flexiblen Kraftwerken Folie 12

13 Herangehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle, die auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen zugeschnitten sind (Modellfälle) Wirtschaftlicher Vergleich der wärmegeführten (A) und der stromgeführten (A+B) Fahrweise der KWK-Anlagen bei voller Wärmeversorgung der Modellfälle 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 13

14 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der BEE/AGFW-Studie Erkenntnisse hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 14

15 Wärmelast Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen A Wärmebedarf B Strom: Residuallast (2030) 100% 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (pos. RL) zusammen? Folie 15

16 Wärmelast Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen A Wärmebedarf B Strom: Residuallast (2030) 100% 80% 60% 40% 20% 0% Zeit in h Frage: Über wie viele Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (pos. RL) zusammen? Beispiel 1 MW-BHKW wärmegeführt stromgeführt bei hoher Auslegung der KWK Vh/a Vh/a bei niedriger Auslegung der KWK Vh/a Vh/a Folie 16

17 Volllaststunden des BHKW (h/a) Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Wärmespeicher können den Verlust an Auslastung teilweise kompensieren (gezeigtes Beispiel: 1 MW-BHKW, druckloser Speicher) h/a ursprünglich 4000 Vh/a ursprünglich 6000 Vh/a h 12 h h/a Wärmespeichervolumen in m³ Folie 17

18 spez. Investition ( /m³) spez. Investition ( /m³) Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Die Kosten ( /m³) für Wärmespeicher sinken mit zunehmender Speichergröße drucklose Speicher dezentrale Wärmespeicher Wärmespeichervolumen (m³) Großspeicher Wärmespeichervolumen (m³) Quelle: IUTA 2002 Eigene Ermittlung Folie 18

19 Zuwachs an Vollbenutzungsstunden des BHKW (Vh/a) Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Welche Speichergröße ist schließlich sinnvoll? 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 19

20 Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Schließlich in den Modellfällen berücksichtigt: 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 20

21 Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Um wie viel erhöhen sich bei stromgeführter Fahrweise die Erzeugungskosten der KWK-Anlagen (aufgrund verminderter Auslastung ggü. der wärmegeführten Fahrweise)? Modellfall 1 MW 1 kw 20 kw Vh/a Vh/a GuD Erforderlicher Aufschlag auf den Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh): 6,4 2,0 0,3 0,4 0,2 Für große KWK-Anlagen ergeben sich akzeptable Kostenaufschläge Folie 21

22 Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Um wie viel erhöhen sich bei stromgeführter Fahrweise und zusätzlicher Ausstattung mit Elektroheizern die Erzeugungskosten der KWK-Anlagen (aufgrund verminderter Auslastung ggü. wärmegeführter Fahrweise)? Modellfall 1 MW 1 kw 20 kw Vh/a Vh/a GuD Erforderlicher Aufschlag auf den Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) ohne E-Heizer 6,4 2,0 0,3 0,4 0,2 E-Heizer: 200 Vh/a 7,2 2,2 0,5 0,4 0,3 E-Heizer: 400 Vh/a 7,7 2,4 0,6 0,5 0,4 Anmerkung: der E-Heizer arbeitet in den Momenten höchster negativer Residuallast Für große KWK-Anlagen ergeben sich akzeptable Kostenaufschläge Folie 22

23 Stromerzeugungskosten /MWh Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Allgemein: Welche Rolle spielt die Auslastung der KWK-Anlagen bei den Erzeugungskosten? jährliche Vollbenutzungsstunden 1 kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) Wärmeverteilungskosten berücksichtigt Große KWK-Anlagen verkraften eine reduzierte Auslastung wesentlich besser als kleine Folie 23

24 Stromerzeugungskosten /MWh Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Wo liegen die Erzeugungskosten im Vergleich zu neuen Kraftwerken? jährliche Vollbenutzungsstunden 1 kw-bhkw 20 kw-bhkw 1 MW-BHKW GuD (KWK-Betrieb) GuD-Kraftwerk GT-Kraftwerk Wärmeverteilungskosten berücksichtigt Die spez. Vollkosten der reinen Kraftwerke sind im relevanten Bereich höher als bei den großen KWK-Anlagen Folie 24

25 Erzeugungsanteil der Wärmepumpe Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Fall: Einfamilienhaus (12 kw th,1m³ Speicher) (hier: Betrieb bei negativer RL bis + 7 GW RL entsprechend 10% max. RL) Eine Verknüpfung von WP + KWK ist in dieser Leistungsklasse unwahrscheinlich 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wärmeleistung der Wärmepumpe (kw) Die gewünschte Flexibilität macht hier eigentlich bivalente Systeme erforderlich (z.b. WP + Heizkessel), selbst wenn sehr große Speicher integriert werden Folie 25

26 Auslastung der Wärmepumpe (Vh/a) Wärmeerzeugungsanteil Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Fall: Wärmenetz, 1 MW-BHKW m³ Speicher + Großwärmepumpe + Heizkessel (hier: Umschaltpunkt WP/BHKW bei + 7 GW RL entspr. 10% max. RL) BHKW 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% Auslastung der WP (Vh/a) Erzeugungsanteil WP Erzeugungsanteil Heizkessel Folie 26

27 Wärmekosten (ct/kwh) Modellbetrachtungen Erzeugungskosten der Wärmepumpen in Abhängigkeit von deren Auslastung "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 27

28 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der BEE/AGFW-Studie Erkenntnisse hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 28

29 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Fernwärmebestand und -potenzial gemäß M.Blesl, IER 2010 (das hier als maximal erachtete Fernwärmeabsatzpotenzial liegt übrigens unter dem max. volkswirtschaftl. Fernwärme-KWK-Potenzial von 207 TWh/a, das 2014 im Rahmen der nationalen KWK-Potenzialstudie (prognos, IFAM et al. 2014) ermittelt wurde) Folie 29

30 Perspektiven große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Ausgleichspotenziale 35 GW positive RL Fernwärme- 41 GW negative RL bestand und -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 30

31 Residuallast in 2030 (GW) Perspektiven Mögliche Residuallastabdeckung bei voller Ausschöpfung der Wärmenetzpotentiale KWK Elektroheizer Kalenderjahr (h) Folie 31

32 Perspektiven Wärmenetze sind zudem für eine hochgradige Einbindung von Solarthermie (Flächenertrag ggü. PV bis zu 4-fach!) Abwärme auch z.b. Abwärme aus Power to Gas-Anlagen KWK auf der Basis von Biomasse (Tiefen-) Geothermie in die Wärmeversorgung wichtig Folie 32

33 Perspektiven Dänische Impressionen

34 Perspektiven Beispiel Ringköbing: Erzeugungsprotokoll für 14 Tage

35 INHALT Hintergrund der Betrachtung Herangehensweise im Rahmen der BEE/AGFW-Studie Erkenntnisse hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Folie 35

36 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 Stadtwerke hierbei als besonders wichtige Akteure Folie 36

37 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 37

38 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 38

39 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Wolfgang Schulz Berater des IFAM Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung OE Energiesystemanalyse Wiener Straße Bremen Germany Web: Folie 39