DIE ENERGIEWENDE BEWERTUNG AUS SICHT DER NATURWISSENSCHAFT

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1 DIE ENERGIEWENDE BEWERTUNG AUS SICHT DER NATURWISSENSCHAFT Joachim Luther Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) DBU Symposium Energiewende in aller Munde aber in wessen Händen? Osnabrück, 26. Oktober

2 S Energiewende Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung in den Sektoren Strom, Wärme und Mobilität Hauptziele Schutz unserer natürlichen Lebensgrundlagen (Begrenzung des anthropogenen Klimawandels) Realisierung einer sozialverträglichen Energieversorgung Sicherung der Energieversorgung 2

3 (Soll-) Entwicklung Treibhausgas-Emissionen Deutschland - 40 % - 55 % * - 70 % - 80 % - 95 % Daten UBA Januar 2013 * Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 3

4 Energiewende: Weitere quantitative Ziele der Bundesregierung für 2050, eine Auswahl, Bezug 2008 Energiesystem Deutschland Halbierung des Primärenergieverbrauchs Anteil erneuerbarer Energie am Endenergieverbrauch 60 % Zunahme der Energieeffizienz 50 % Strom Reduktion des Verbrauchs um 25 % Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch 80% Gebäudesektor Nahezu klimaneutraler Gebäudesektor Reduktion des Primärenergieeinsatzes um 80 % 4

5 Energiebedarf Deutschland 2010 und angenommene Reduktion des Bedarfs bis % % BMWI final energy Endenergie davon thereof electricity Elektrizität

6 Angenommener Energiebedarf Deutschland 2050 und mögliche Energiequellen (Auswahl*) PV-Strom; 1% Fläche D ** PV-Strom; 0,7% Fläche D Wind auf See ** Wind an Land Biomasse Erdgas*** 0 Endenergie davon Elektrizität 0 Energiequellen 2050 * Ohne tiefe Geothermie, Umweltwärme und Import ** deutlich höhere Potenziale prinzipiell realisierbar *** entspricht -86% CO2 Emission 6

7 Fraunhofer ISE Modellierung eines zukünftigen Energiesystems erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW PV Wind On Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 60 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse Gasturbine 0 43 GWel Erdgas 40 GWel 1 GW 43 W-Speicher GWh 6 WP zentral GuD-KW 0 11 GWth H2-Speicher Biomasse 7 GW 38 Gebäude 0 74 Solarthermie 26 Sabatier 0 Methan-Sp GWth Wärmenetze mit 0.0 GWgas 0 GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 10 GWth 44 GWh 6 Gas-WP Gebäude GWth 62 H2-Bedarf Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe el. WP Sole W-Speicher Verkehr (ohne Schienenverkehr/Strom) Wasserstoff-basierter Verkehr Traktion Batterie-basierter Verkehr 38 GWth 177 GWh % Wert % 20 Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 17 GWth 102 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 Brennstoffe GWh 2 WP zentral GWth 12 Gebäude 19 Solarthermie 7 Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 Brennstoff-basierter Verkehr Traktion 55 Brennstoffe 220 Traktion gesamt 137 BHKW-KWK Mini-BHKW 0 0 W-Speicher 0 GWel 0 GWh 0 Solarthermie 0 0 Gebäude 0 GWth 0 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 0 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 0 0 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh 0 GWth 0 GWh Solarthermie Gebäude 0 Gaskessel 0 0 Gebäude 0.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth GWth 0 2 GWth 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Hans-Martin Henning und Andreas Palzer, ISE

8 Ein exemplarisches Szenario für 2050 zeitaufgelöste Computersimulation, Ergebnisse Strom Maximale Last (Bedarf) Minimale Last 75 GW 31 GW PV installiert 136 GW 4 x Leistung 2012 Wind an Land installiert 124 GW 4 x Leistung 2012 Wind auf See installiert Maximale Ensemble Erzeugung Minimale Ensemble Erzeugung 39 GW 202 GW 3 GW 25 % weniger Strombedarf, 60 % weniger Raumwärmebedarf, 25 % der Gebäude werden über große Wärmenetze mit großen Speichern versorgt, 500 Erdgas, 335 aus Biomasse; -86 % CO 2 -Emissionen 8

9 Virtuelles Strom-Erzeuger-/Verbrauchssystem Erzeuger Solar Wind Wasser Bilanzpunkt Verbraucher konventionelle Last Wärmepumpen geregelt 9

10 Modellierte Zeitreihe der Erzeugungs- Bedarfsbilanz, Strom 10

11 Beherrschung der zeitlichen und räumlichen Variationen von Solar- und Windenergieflüssen Restnutzung fossiler Energieträger Nutzung biogener Energiequellen Speicher Lastmanagement großflächige Netze Import/Export Erzeuger regelbar fluktuierend Speicher Import/Export erweiterte Verbrauchsstruktur Verkehr, Industrie, Gebäude Verbraucher nicht regelbar regelbar 11

12 Realisierung einer zu jedem Zeitpunkt gesicherten Stromversorgung Lastmanagement Deckung Residuallast 12 Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen* (Gasturbinen, GuD) Stromimport Sekundäre Regelenergie: Pumpspeicher, Gas-KWK Primäre Regelenergie: Batterien, Wasserkraft Netzstabilität Elektrische Umrichter ( virtuelle Synchronmaschinen ) Kombination Umrichter + Batterien Mitlaufende rotierende Massen * betrieben mit Erdgas und biogenen Energieträgern, gekoppelt mit Wärmenetzen und großen Wärmespeichern

13 Priorisierung nach Wandlungseffizienz Nutzbringende Verwendung von Überschussstrom Nutzungen, die alle Verbrauchssektoren einbeziehen Effiziente Strom-Kurzzeitspeicher (Pumpspeicherkraftwerke, Batterien stationär und mobil) Wasserstofferzeugung (für Verkehr, für Einspeisung Gasnetz, für Weiterkonversion in synthetisches Methan oder Methanol) Ladung Wärmespeicher mit Wärmepumpen Ggf. Stromexport (je nach Vermarktungsoptionen im Ausland) Ladung von Wärmespeichern mit Heizstäben Abregelung der Erzeugung 13

14 Transformation des Stromerzeugungs- und Nutzungssystems eine Möglichkeit 25 % Anteil fluktuierender EE an der Stromerzeugung 80 % Flexibilisierung Stromerzeugung konventioneller Kraftwerke (Gas, Kohle) bzw. KWK Pumpspeicherkraftwerke Wasserstoffbeimischung Erdgasnetz Flexibilisierung von Stromlasten - Haushalte (Smart Grid) - Industrieprozesse Wasserstoff für Verkehr Andere neue Stromspeicher (z.b. Redox-Flow) Power-to-Gas für Stromerzeugung im großen Stil Neues Strommarkt-Design Große Wärmespeicher in Wärmenetzen Batteriesysteme heute Zeit Konvergenz Strom-Wärme: Nutzung von Wärmespeichern (Wärmepumpe, KWK, ggf. Strom direkt)

15 Stromgestehungskosten, Deutschland September 2013 C. Kost, T. Schlegl et al, Fraunhofer ISE,

16 Modulpreise 2012 /Wp (inflationsbereinigt) M odule Price [Inflation adjusted 2012 / Wp] Kostenreduktion bei Konvertern erneuerbarer Energiequellen Beispiel Photovoltaik Preis-Erfahrungs-Kurve Lernfaktor 20 % Daten: Navigant Consulting, Graph: PSE AG kumulierte Cumulated globale Production Produktion [GWp](GWp)

17 Energiewende zur Nachhaltigkeit Kosten eines kompletten Energiesystems Kosten pro Jahr heute Mitte des Jahrhunderts Zeit [Jahre] 17

18 Anteil erneuerbarer Energien Die Phasen der Energiewende Phase 2 (laufend) Phase 1 (abgeschlossen) Installation erneuerbarer Energien vor allem für die Strombereitstellung (Wind, PV) keine wesentliche Änderung der Systemstruktur Transformation des gesamten Energiesystems Flexibilisierung Forcierung von Effizienz und Einsparung Infrastruktur-Weichenstellungen (z. B. Wärmenetze) Erdgas wichtig, vor allem für komplementäre Strom-Erzeugung zunehmende Bedeutung von Speichern (vor allem Wärme) Geschäftsmodelle für Speicherbetrieb und komplementäre Strombereitstellung Phase 3 Die letzten Prozent Langzeitspeicher (z. B. Power-to-Gas) Verdrängung von Erdgas (Power-to-Gas, Biomasse) Internationale Vernetzung Zeit 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ich danke Hans-Martin Henning und Andreas Palzer für wertvolle Diskussionen und die Bereitstellung der Modellrechnungsergebnisse. 19

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