Holistic modeling and analysis of a future German energy system Integration of renewables and energy efficiency solutions
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1 Holistic modeling and analysis of a future German energy system Integration of renewables and energy efficiency solutions Prof. Dr. Hans-Martin Henning Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg and Karlsruhe Institute of Technology KIT LCS RNet 6 th Annual Meeting October 1-2, 214 Rome, ITALY
2 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
3 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
4 German greenhouse gas emissions history and targets Kyoto protocol reference value German energy-related CO 2 emissions (211): 2 % of Europe 2.5 % of world others energy related CO 2 emissions main focus of this talk
5 Motivation for this work Guiding questions Is it possible to achieve Germany s CO 2 emission reduction targets by using large shares of renewable energies (no nuclear, no CCS)? If yes: what is the best composition of such energy system? And what is its cost? Long term perspective on macro-economic level
6 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
7 Holistic model of the German energy system Inter-sectorial analysis of the overall system Approach Comprehensive model of the overall system with all energy fluxes (for all conversion chains and end-use sectors) based on hourly energy balance Generic optimizer optimum composition and sizing of all components including energy retrofit of the building stock Goal function: minimum of total annual cost (re-investment, maintenance, operation, financing) Appropriate treatment of a highly complex system with many interdependencies
8 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
9 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling Comprehensive analysis of the overall system Electricity generation, storage and end-use Fuels (including biomass and synthetic fuels from RE) REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Mobility (batteryelectric, hydrogen, conv. fuel mix) Heat (buildings, incl. storage and heating networks) Processes in industry and tertiary sector
10 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 Elektrolyse 41 GWel 85 H2-Speicher 3 82 Erdgas Biomasse Sabatier 2 Methan-Sp..5 GWGas Batterien 39 GWh 8 Brennstoffe Gasturbine 1 GW GuD 26 GW 2 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 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 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 461 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 9 Pump-Sp-KW 7 6 GWh 4 Einzelgebäude mit Gaskessel KWK-GuD GWel 46 W-Speicher 575 GWh WP zentral GWth 25 Gebäude 64 Solarthermie 2 37 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Optimization approach Assumptions Results: optimized values for Optimizer CO 2 emissions available amount of fossil energy sources minimize total annual cost installed capacity of energy converters size of storages Other assumptions (e.g. available biomass resources for energy use) erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien range of building energy retrofit heating technology mix (including district heating networks)
11 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
12 Fluctuating renewable energy sources Installed capacity in GW el
13 Medium and large scale CHP systems (district heating) Installed capacity in GW el
14 Backup power plants Installed capacity in GW el
15 Total annual cost Bill. Analysis of a selected system (next slides)
16 Electricity generation erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Photovoltaics 147 GW el 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 Onshore Wind KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) GW ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 el 26 KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Medium and large size CHP Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 6 GW el 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 (connected to district heating) Offshore Wind 32 GW el 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
17 Heat decentralized erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien centralized PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher 13 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Solar thermal 42 GW th 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in CHP in heat networks 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 6 GW el installed 4 GWth 26 Brennstoffe 42 4 capacity 6 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 15 GW 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh th centralized heat pumps Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Heat pumps 22 GW th (el., ground) GW th (el., air) 15 GW th (gas) Solar thermal 4 GW th 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
18 Storage erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Stationary batteries 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel Biomasse Total 24 GWh (e.g. 8 Mio 82 6 H2-Speicher Treibstoff 22 Verkehr units with 3 kwh each) Sabatier Methan-Sp.. GWgas Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Gasturbine 1 GW Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 Electrolysers H2-Bedarf 82with total 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Wärmenetze mit capacity GWth Strombedarf of GW el BHKW-KWK 4 Brennstoff-basierter Verkehr (needed Brennstoffe for mobility) 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie district 12 6 W-Speicher heating Raumheizungsystems Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Total 35 GWh (e.g. 15 Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe GuD-KW 3 GW Heat buffers 14 in buildings Total 32 GWh (e.g. 7 Mio units with 8 Litres each) 3 Einzelgebäude mit Gaskessel KWK-GuD 27 Pumped storage 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh 7 WP zentral 2 2 power plants 7 GWth 4 Gebäude units Solarthermie 13 with a 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK total of 6 GWh Large scale heat storage in units with 5. m³ each) Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
19 Annual energy balance () electricity production electricity use heat supply 78% fre * 4% heat pumps * fre = fluctuating renewable energies (solar, wind, hydro)
20 Annual energy balance () electricity production electricity use heat supply 78% fre * * fre = fluctuating renewable energies (solar, wind, hydro)
21 Annual energy balance () electricity production electricity use heat supply 78% fre * 4% heat pumps * fre = fluctuating renewable energies (solar, wind, hydro)
22 Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1) 1) Assumed doubling of fossil energy prices until 25
23 Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1)
24 Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. 214 ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1) 1) Assumed doubling of fossil energy prices until 25
25 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
26 Investments for RE (wind, solar) and stationary batteries Bill p.a. (incl. repowering) Total investments (w/o capital cost, incl. re-powering) from 215 to 25: 515 bill. 214
27 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels %
28 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels 1 % %
29 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels 2 % 1 % %
30 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Fuel price increase 2 % cumulatively avoided fuel cost 172 bill. 1 % 851 bill. % 679 bill. cumulative investments 515 bill.
31 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Important to notice Yet only investments for major RE sources (wind, solar) and stationary batteries considered In addition more investments will be necessary for grid expansion, other storage technologies, CHP plants, system integration, efficient end-use technologies etc.
32 Transformation of the energy system Qualitative trend of total annual cost cost per year w/o transformation today mid century time [years]
33 Outline Overall targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
34 Summary 1/2 Reduction of energy-related CO 2 emissions by 8 % and above possible Lower cost at least on long term Significantly reduced dependence on imports of energy resources Key elements of the transformation Reduction of consumption (e.g. classical electricity consumption, space heating) Efficient conversion chains (e.g. electric engines and heat pumps replacing combustion processes) Renewable energies (electricity, heat) New overall system design with high level of integration
35 Summary 2/2 Flucutuaing renewable energies (wind, solar PV) become backbone of electricity generation and dominate the overall system Flexibilization of residual electricity production and electricity use in all end-use sectors (mobility, heating) needed Investments needed for components and systems in all energy conversion and end-use sectors Many groups of investors including citizens Significant local value and employment creation Results can be transferred to other industrialized regions or countries
36 Thank you for your attention Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Hans-Martin Henning, Andreas Palzer
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