Eine Energiewende mit Versorgungssicherheit ist möglich Technische und strategische Aspekte

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1 Eine Energiewende mit Versorgungssicherheit ist möglich Technische und strategische Aspekte Dr.-Ing. Michael Sterner Mareike Jentsch, Tobias Trost, Dr. Carsten Pape, Norman Gerhardt Jahrestagung Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik,ZSW, Solarfuel

2 Inhalt 1) Energiewende Strom A) Versorgungssicherheit Was ist das? B) Volkswirtschaftliche Sicht: Reichen die Potentiale? C) Technische Sicht: Reicht die gesicherte Leistung? Netzausbau, Flexibilität, Speicher 2) Energiewende Wärme und Verkehr 3) Zusammenfassung

3 Versorgungssicherheit hat 2 Seiten Versorgungssicherheit ENERGIE LEISTUNG Volkswirtschaftlich Technisch Potential Gesicherte Leistung Reichen die Potentiale?

4 Bayern könnte rein bilanziell seinen Strombedarf aus Wind vom Land decken Auf 8% der Fläche ohne Restriktionen (ohne Wald und Schutzgebiete) Potential für 115 GW Auf 22% der Fläche (plus Wald und Schutzgebiete) Potential für 316 GW Auf 2% der Fläche (Vorgabe BWE) Potential für 41 GW (ca Anlagen) heute ausgeschöpft: 0,5 GW (1,2 %) Windstrom-Ertrag ca. 80 TWh Bayern s Strombedarf (2009): 74 TWh 1% unserer Landesfläche für Wind nutzen kann 50% unseres Strombedarfs decken

5 Solarenergie, Wasserkraft, Biomasse, Geothermie Solarenergie Höchstes Potential in Süddeutschland Wasserkraft Ausbaupotential vorhanden Weitere Potentiale: Biomasse (Tank-Teller Reststoffe), Geothermie Volkswirtschaftliche Versorgungssicherheit gewährleistet in Bayern und auf Bundesebene Quelle: Saint-Drenan, 2010; Stand 11/2010

6 Versorgungssicherheit hat 2 Seiten Versorgungssicherheit ENERGIE LEISTUNG Volkswirtschaftlich Technisch Potential Gesicherte Leistung Reicht die gesicherte Leistung?

7 Weiterer EE-Ausbau erfordert flexiblen Kraftwerkspark und weitgehende Ausgleichsmaßnahmen (Netzausbau, Lastmanagement, Speicher) Nationaler Aktionsplan der Bundesregierung: Ziele % EE-Anteil

8 Wie flexibel sind die Kraftwerke? Eine vereinfachte Darstellung Gas-KW 0 auf 100%: 30 min sehr schnell XSteinkohle-KW 25 auf 100%: 60 min auf Bereitschaft 0 auf 100: 1 Tag! AKW unter einem gewissen Bereich: Abschaltung XKernkraft-KW neue Braunkohle-KW 60 auf 100%: 30 min gleitend aber entworfen für Grundlast Neue Anfahrgenehmigung 0 auf 100%: 2-3 Tage träge und langsam Quelle: Darstellung nach (RWE, 2009) angepasst, Bilder: Google.

9 Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen Prioritäten Erzeugungs- und Lastmanagement Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas) Flexibler Verbrauch Transport Netzausbau Europäisches Netz für Strom und Gas 1 2 Speicher Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien Langzeit (Saisonal): 1. (Pump)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom im Gasnetz als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff) 3

10 Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung Was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Windenergie Windenergie in Planung Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Engpass Übertragungsnetz Verteilnetz Ballungszentrum Übertragungsnetz Dena I: 850 km Umgesetzt 80 km Consentec + Dena nach EnLAG: Zusätzlich 1150 km (insg km)

11 Eine rein regenerative Energieversorgung hat einen sehr großen Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau 60 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 Ausgleich notwendig 20 Residuallast (GW) Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Kapazität und Leistung Gasspeicher heute Monat 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei η GT,GuD = 28-55%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE 42 Mio. E-KFZ Idealfall

12 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2

13 Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010

14 Entwicklungsstand Power-to-Gas Wasserstoff (mit Total, Vattenfall, Deutsche Bahn) Methan (ZSW, Fraunhofer IWES) (ZSW, Fraunhofer IWES, EWE) (mit SolarFuel, GASAG, Thüga etc.)

15 Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien Gesicherte Leistung vorwiegend durch Gaskraftwerke / BHWK Biomasse, Wasserkraft und Geothermie bereitstellen Quelle: UBA, 2011

16 Regionale Energiewende: Keyplayer Stadtwerke Mittelabfluss aus der Region für Strombeschaffung Quelle:

17 Regionale Stromerzeugung kann bis zu 300 Mio. in der Region halten Quelle: Umsetzung Erstellung des region. Energiekonzepts Werbung für Akzeptanz für den Ausbau der Windenergie Entwicklung von Modellen zur Bürgerbeteiligung Standortsuche und Projektentwicklung für 20 bis 30 Windparks in der Region Werbung um politischen Konsens zum Wohle der Bürger in der Region

18 70 % gesicherte Leistung durch EE und Gaskraftwerke Quelle:

19 Inhalt 1) Energiewende Strom A) Versorgungssicherheit Was ist das? B) Volkswirtschaftliche Sicht: Reichen die Potentiale? C) Technische Sicht: Reicht die gesicherte Leistung? Netzausbau, Flexibilität, Speicher 2) Energiewende Wärme und Verkehr 3) Zusammenfassung

20 Wärme: Neben Solarthermie, Geothermie und KWK hat der Energiespeicher Wald das größte Potential Funktionen des Waldes: Wirtschaftsgut und Kulturgut Aufwuchs des Waldes: Naturverjüngung (natürlich) und / oder Anpflanzung (künstlich) Gesetzlicher Vorrang Wald vor Wild : Mangelhafte Jagd Überpopulation von Rotwild Folge Wildverbiss = Biomasseverlust Ausgewogenes Wald-Wild-Verhältnis notwendig Wald in Bayern Fläche: 2,56 Mio. Hektar Zuwachs: 1 m³ Festmeter Holz pro Sekunde (bei gut 12 FM / ha*a) Grobe Aufteilung: 1/3 Hartholz (z.b. Buche) und 2/3 Weichholz (z.b. Fichte) Energieäquivalent: ca Mio. Litern Heizöl im Jahr (= jährlicher Heizölverbrauch Bayerns ca Mio. Litern) Gegenwert von ca Mio. EUR (bei 85 EUR / 100 l Heizöl) Zuwachs entspricht einer Leistung von ca MW Der Wald ist Bayerns größter Speicher Jedes Prozent Zuwachs stellt ein großes nachhalt. Potential für die Energiewende dar

21 Elektromobilität Effizienzsprung Faktor 3-4 aber nur mit erneuerbaren Energien

22 Verkehr: Neben Elektromobilität und Biokraftstoffe Wind- und Solarkraftstoffe Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011

23 Vision: 100% EE-Strukturen sind technisch möglich! Quelle: Sterner, 2009

24 Inhalt 1) Energiewende Strom A) Versorgungssicherheit Was ist das? B) Volkswirtschaftliche Sicht: Reichen die Potentiale? C) Technische Sicht: Reicht die gesicherte Leistung? Netzausbau, Flexibilität, Speicher 2) Energiewende Wärme und Verkehr 3) Zusammenfassung

25 Wind & Solar können eine stabile Stromversorgung alleine nicht gewährleisten 4 Ausgleichsmaßnahmen werden notwendig: 1. Flexible Kraftwerke (v.a. Erdgas, auch KWK) 2. Stromnetze (Netzausbau) 3. Lastmanagement (smart grid) 4. Speicher Kurzzeitspeicher (Pumpspeicher, Batterien) Langzeitspeicher (Norwegen, Gasnetz) Wind & Solar in das Gasnetz über Power-to-Gas

26 Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom - nationale Sicht Netze Management Speicher Reduktion must-run -Units Flexible Erzeugung (Gas-KW, KWK, Biomasse) Flexibler Verbrauch (Smart Grids, E-KFZ, p2g) Netzausbau Deutschland Netzausbau Europa Netzkopplung Strom-Gas Pumpspeicher, ggf. AA-CAES ab 2030 Batterien (stationär, ggf. E-KFZ) Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring Quelle: IWES - Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse, 2011

27 Eine Energiewende mit Versorgungssicherheit ist möglich Potentiale ausreichend volkswirtschaftliche Versorgungssicherheit - Wind: 1% der Fläche Bayerns können bilanziell 50% des Bedarfs decken deutschlandweit 2% der Fläche 65% - Weitere: Seewind, Wasserkraft, Photovoltaik, Biomasse, Geothermie Technologien vorhanden technische Versorgungssicherheit - Räumlicher Ausgleich für Wind & Solar: Netzausbau - Zeitlicher Ausgleich: Lastmanagement (Smart Grids), flexible Kraftwerke, Speicher aller Art (Pumpspeicher und Bat. für täglichen Ausgleich, vorhandene Gasspeicher über Power-to-Gas für saisonalen Ausgleich) Energiewende Wärme und Verkehr - Wärme: Biomasse Wald ist größter Energiespeicher Bayerns - Verkehr: Wind- und Solarkraftstoffe als Ergänzung für Elektromobilität (Reichweitenbegrenzung) und Biokraftstoffe (Potentialbegrenzung)

28 Informationen und Quellen (1) Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. Jentsch, M.; Sterner, M. (2010): Betriebskonzepte von SolarFuel Anlagen und deren Wirtschaftlichkeit. Fraunhofer IWES, Kassel. Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2011): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global Leitstudie 2010 BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) Basisdaten Bioenergie 2011, Gülzow destatis 2011, Wiesbaden.

29 Informationen und Quellen (2) WBGU (2011): Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation. Hauptgutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. Waldstein, G. (2009): Solar Fuel. Salzburg. Krajete, A. (2011): Green Thitan. Linz. Audi (2011): Ingolstadt Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.; Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz. FVEE Jahrestagung Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin. Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. RWE (2009): The Need for Smart Megawatts Power Generation in Europe Facts & Trends. December RWE, Essen. Sterner, M. et al(2010): Energiewirtschaftliche Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen Stromversorgungssystem. Studie für Schluchseewerke AG. Fraunhofer IWES, Kassel.

30 Kontakt Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse Dr.-Ing. Michael Sterner michael.sterner _at_ iwes.fraunhofer.de Vielen Dank