Bayernplan Flexibilisierter Einsatz von Biogas zur Stromerzeugung. Modellierung der Integration von Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb

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1 Bayernplan Flexibilisierter Einsatz von Biogas zur Stromerzeugung dellierung der Integration von Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb Bericht FfE, Oktober 212

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3 Bayernplan dellierung der Integration von Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb Auftraggeber: FfE-Auftragsnummer: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten StMELF-1 Bearbeiter/in: Luis Carr Jochen Habermann Tobias Schmid Fertigstellung: Oktober 212

4 Impressum: Bericht der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. (FfE) zum Projekt: Bayernplan Flexibilisierter Einsatz von Biogas zur Stromerzeugung dellierung der Integration von Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Kontakt: Am Blütenanger München Tel.: +49 () Fax: +49 () Internet: Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Geschäftsführer: Prof. Dr.-Ing. W. Mauch Projekt-Manager: pl.-phys. R. Corradini

5 Inhaltsverzeichnis i Inhalt Abkürzungsverzeichnis Einleitung Definitionen Ausbauszenarien Erneuerbare Energien Situation der Erneuerbaren Energien in Deutschland Photovoltaik Windkraft Biomasse nstige Erneuerbare Energien Vergleich der sgänge Kraftwerkspark und Stromerzeugung Struktur der Stromerzeugung FfE-Kraftwerksdatenbank bildung GuD-Kraftwerke Gasturbinen-Kraftwerke Erzeugung von Biogas Biogas-BHKW Stromverbrauch und Lastgänge Aufkommen und Verwendung von Strom Zukünftige Entwicklung des Stromverbrauchs Lastgänge Residuallastgänge Versorgungssicherheit in Bayern Flexibilisierung von Biogasanlagen Technische Rahmenbedingungen Algorithmus Beispiel für eine optimierte Betriebsweise Varianten Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb Erlöse von Biogasanlagen Wirtschaftlichkeit von GuD-Anlagen Zusammenfassung und Fazit... 75

6 8 Literaturverzeichnis Anhang Biogaseinsatzplanung für das Jahr Biogaseinsatzplanung für

7 1 Abkürzungsverzeichnis Euro C Grad Celsius a BDEW BHKW BKW Jahr Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft Blockheizkraftwerk Braunkohle-Kraftwerk BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BNatschG CH4 CNG CO2 ct, ct EEG EEX EnWG EVU FfE GHD GT GuD GW h ha HEL HS ISO KKW kw kwh KWK LFL Bundesnaturschutzgesetz Methan Compressed Natural Gas (komprimiertes Erdgas) Kohlendioxid Eurocent Erneuerbare-Energien-Gesetz European Energy Exchange Energiewirtschaftsgesetz Energieversorgungsunternehmen Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Gewerbe-Handel-enstleistungen Gasturbinen-Kraftwerk Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk Gigawatt Stunde Hektar Heizöl extra leicht Heizöl schwer Internationale Organisation für Normung Kernkraftwerk Kilowatt Kilowattstunde Kraft-Wärme-Kopplung Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft

8 2 Abkürzungsverzeichnis LNG LPG m MR MW MWh NCG NEP Nm³ NSG NTP OTC Pel Pinst PRL PV s SKW SPA SRL Std TA Luft TWh ÜNB VLS Liquefied Natural Gas (verflüssigtes Erdgas) Liquefied Petroleum Gas (Flüssiggas) Meter nutenreserve Megawatt Megawattstunde Natural Gas Year Futures Netzentwicklungsplan Normkubikmeter Naturschutzgebiet Nationalpark Over The Counter elektrische installierte Primärregelleistung Photovoltaik Sekunde Steinkohle-Kraftwerk Special Protected Area Sekundärregelleistung Stunde Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft Terawattstunde Übertragungsnetzbetreiber Volllaststunden x Installierte elektrische für die Umrüstung von Biogasanlagen im Anlagenbestand y Installierte elektrische für den Zubau von Biogasanlagen xges Gesicherte elektrische für die Umrüstung von Biogasanlagen im Anlagenbestand yges η Gesicherte elektrische für den Zubau von Biogasanlagen Wirkungsgrad (eta)

9 Situation der Erneuerbaren Energien in Deutschland 3 1 Einleitung Bayernplan Das Bayerische Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF) hat den Auftrag zu prüfen, inwiefern ein Zubau von dezentralen Biogasanlagen zur Deckung der Residuallast in Bayern beitragen kann. eser Zubau wurde im Rahmen des sogenannten Bayernplans vorgeschlagen. Es ist folglich vorgesehen, dass Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb zur Verfügung stehen. Laut Bayerischem Energiekonzept Energie innovativ ist es aufgrund des Wegfalls der Kernkraftwerksleistung erforderlich, dass etwa 3,5 GWel durch den Neubau hocheffizienter Gas-Kraftwerke bereitgestellt werden /STMWIVT-1 11/. ese regelbaren Gaskraftwerke sollen somit der Deckung der Residuallast dienen. Der aktuelle Vorschlag, einen Teil dieser erforderlichen Reserveleistung aus dezentralen Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb bereit zu stellen, würde die Abhängigkeit von Erdgasimporten reduzieren und die regenerative Stromerzeugung in Bayern erhöhen. Da im Bayernplan 22 explizit erwähnt wird, dass der Anbau und die Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen die Versorgungssicherheit bei Lebensmitteln nicht gefährden darf ( Teller vor Tank ) /STMELF-1 1/, sollen für die erforderliche Biogaserzeugung primär Gülle und landwirtschaftliche Reststoffe eingesetzt werden. Das erzeugte Biogas soll anschließend in dezentralen Kleinanlagen eingesetzt werden. Um festzustellen, welchen potenziellen Beitrag der vorgeschlagene Ausbau der Biogasanlagen in Bayern tatsächlich zur Deckung der Residuallast leisten könnte, soll im Rahmen dieser Studie geprüft werden, wie die Stromerzeugung aus Biogasanlagen flexibel eingesetzt werden kann und welche potenziellen Erlöse sich hierbei erwirtschaften lassen. e Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieser Untersuchung sollen als Grundlage für eine nachfolgende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung dienen, um den resultierenden Zuschussbedarf für Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb abschätzen zu können.

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11 5 2 Definitionen Für die Interpretation der Untersuchungen in dieser Studie ist es erforderlich, die relevanten energiewirtschaftlichen Fachbegriffe vorab einheitlich, präzise und nachvollziehbar zu definieren. Grund-, ttel- und Spitzenlast e Grundlast eines Stromnetzes ist diejenige Last, die während eines Tages nicht unterschritten wird. Sie ist in der Regel abhängig vom Wochentag und der Jahreszeit. Über die Grundlast hinausgehender Stromverbrauch wird als ttellast bezeichnet, wenn die Schwankungen vorhersehbar, langsam und täglich wiederholend sind sowie von ttellastkraftwerken abgedeckt werden können. Eine darüber hinausgehende, kurzfristig auftretende snachfrage wird als Spitzenlast bezeichnet. Residuallast e Residuallast eines Stromnetzes ist die Gesamtlast abzüglich der gesetzten Einspeisung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien (z.b. Wind und PV) und KWK- Anlagen. Es handelt sich folglich um die Restnachfrage, welche von den übrigen Kraftwerken gedeckt werden muss. /FFE-4 1/ Grundlastkraftwerk Als Grundlastkraftwerke werden in der Regel diejenigen thermischen Kraftwerke mit den geringsten Brennstoffkosten eingesetzt. In der Vergangenheit waren dies in Deutschland Braunkohle- und Kernkraftwerke. e jährliche Ausnutzungsdauer von Grundlastkraftwerken liegt bei über 5. Stunden. ttellastkraftwerk Als ttellastkraftwerke werden vorwiegend Steinkohlekraftwerke eingesetzt. Technisch gesehen können theoretisch alle thermischen Kraftwerke als ttellastkraftwerk betrieben werden. e Ausnutzungsdauer beträgt etwa h/a. Spitzenlastkraftwerk Spitzenlastkraftwerke sind Kraftwerke, die kurzfristigen sveränderungen im Netz schnell folgen können, etwa Gasturbinenkraftwerke. Sie werden oft nur wenige Stunden am Tag eingesetzt. e Ausnutzungsdauer von Spitzenlastkraftwerken liegt bei unter 2. h/a. Schattenkraftwerk (Reservekraftwerk) Ein "Schattenkraftwerk" oder "Reservekraftwerk" ist ein Kraftwerk, das bereitgehalten wird, um den längeren Ausfall eines Energieerzeugers im Stromnetz kompensieren zu können etwa die fehlende PV-Einspeisung in längeren Zeiten regnerischen Wetters. Gesicherte e gesicherte eines Kraftwerks ist diejenige, die jederzeit abgerufen werden kann und ohne Schwankungen für beliebig lange Zeit zur Verfügung steht. Unter Berücksichtigung von technologiespezifischen Ausfallzeiten (z.b. Revisionen,

12 6 Definitionen Störungen) muss diese mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 99,5 % bereitgestellt werden können /DENA-4 12/. Beispielsweise zählt die Netto-Nennleistung eines GuD-Kraftwerks zur gesicherten. e gesicherte einer Biogasanlage ist begrenzt durch die, die über den Fermenter bereitgestellt werden kann eine Erhöhung dieser gesicherten wäre über den Einsatz von konventionellem Erdgas oder Flüssiggas in den BHKW der Biogasanlagen möglich. Für die Gesamtheit von Biogasanlagen kann trotz der Ausfallmöglichkeit einzelner Anlagen von einem gesicherten santeil > 9% ausgegangen werden. Elektrischer Wirkungsgrad eines Kraftwerks Der elektrische Wirkungsgrad eines Kraftwerks ist das Verhältnis zwischen abgegebener elektrischer und eingesetzter. Bei thermischen Kraftwerken bezieht sich die eingesetzte thermische auf den Brennstoffverbrauch pro Sekunde, gerechnet nach dem Heizwert. Z.B. können GuD- Anlagen im Nennbetrieb Wirkungsgrade von über 6 % aufweisen. Elektrischer Nutzungsgrad eines Kraftwerks Der elektrische Nutzungsgrad eines Kraftwerks ist das Verhältnis zwischen abgegebener elektrischer Energiemenge und eingesetzter Energiemenge über einen bestimmten Zeitraum. Der Nutzungsgrad ist im Allgemeinen niedriger als der Wirkungsgrad, wenn das Kraftwerk nicht über den gesamten Zeitraum mit der Nennleistung betrieben wird. nimalleistung eines Kraftwerks e nimalleistung eines Kraftwerks ist die minimal mögliche, die das Kraftwerk über längere Zeit fahren kann, ohne dass Schäden entstehen oder Emissionswerte überschritten werden. haben z.b. neue Kohlekraftwerke mit einer Nennleistung von 8 MW einen sbereich zwischen 32 und 8 MW /FHAA-1 1/. Lastgradient eines Kraftwerks Der Lastgradient bezeichnet die maximale sänderung pro Zeiteinheit, die ein Kraftwerk durchführen kann. können z.b. neue Steinkohlekraftwerke eine sänderung von ± 1,5-2,5 % der Nennleistung pro nute durchführen /FHAA-1 1/. Blockheizkraftwerk Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine kombinierte Anlage, die sowohl Strom als auch Wärme erzeugen kann. Um die Wärme mit möglichst geringen Verlusten nutzen zu können, wird das BHKW in der Regel nahe am Ort des Wärmebedarfs aufgestellt; es ist aber auch die Einspeisung in ein Nahwärmenetz möglich. Im Rahmen des vorliegenden Berichts werden nur BHKW betrachtet, die mit dem Brennstoff Biogas betrieben sind. Lastfolge und Lastfolgebetrieb Im Lastfolgebetrieb folgt die Erzeugerseite dem prognostizierten, kontinuierlichen Verlauf des Strombedarfs ( Lastfolge ) /WEI-1 9/; d.h. Kraftwerke, die im

13 7 Lastfolgebetrieb gefahren werden, passen ihre flexibel an die jeweilige Stromnachfrage an. Bei zunehmendem Ausbau der Erneuerbaren Energien richtet sich der Lastfolgebetrieb an der Residuallast aus. Demgegenüber steht die kontinuierliche Stromerzeugung. Smart Meter Ein Smart Meter, auch Intelligenter Stromzähler genannt, ist nach 21d EnWG ein Messsystem zur Erfassung elektrischer Energie, das in ein Kommunikationsnetz eingebunden ist und den tatsächlichen Energieverbrauch und die tatsächliche Nutzungszeit widerspiegelt. Smart Grid Ein Smart Grid ist ein Intelligentes Stromnetz, das eine kommunikative Vernetzung einer Vielzahl von Funktionen beinhaltet: Von der Steuerung der Erzeugung, der Verbraucher, dezentraler Energieeinspeisung, Optimierung des Kraftwerksparks bis hin zur Visualisierung des Verbrauchs beim Anwender. /FFE-47 9/ Demand Response Demand Response ist eine kurzfristige und planbare Veränderung der Verbraucherlast als Reaktion auf Preissignale im Markt oder auf eine Aktivierung im Rahmen einer vertraglichen sreserve. ese Marktpreise oder sabrufe werden durch ungeplante, unregelmäßige oder extreme energiewirtschaftliche Ereignisse ausgelöst. EEX e European Energy Exchange (EEX) mit Sitz in Leipzig ist eine der größten Strombörsen in Europa. e Preisbildung an einer Strombörse erfolgt rein nach Angebot und Nachfrage, wodurch die Preise zeitlich stark schwanken können. An der EEX werden etwa 3 4 % der gesamten in Deutschland erzeugten Strommenge gehandelt. Kapazitätsmarkt Strom Ein Kapazitätsmarkt ist ein Mechanismus, in dem eine Regulierungsbehörde eine Gesamtkapazität vorgibt, die für die Sicherstellung der Versorgungssicherheit als notwendig erachtet wird. Bei einer anschließenden Auktion bieten Kraftwerksbetreiber Kapazitäten an, die von den Energieversorgungsunternehmen bis zur vorgegebenen Menge ersteigert werden müssen. Kraftwerke können so Einnahmen allein durch das Vorhalten von Kapazitäten erzielen. Derzeit finanzieren sich Kraftwerke in Deutschland ausschließlich über die Vermarktung von Strom (z.b. Verkauf über die EEX-Börse) oder das Anbieten von Regelleistung. Stromhandel (Day-ahead, Intraday) Seit der Liberalisierung des Strommarktes in Deutschland steht alternativ zu dem auch Over The Counter (OTC) genannten bilateralen Handel die Möglichkeit zum Stromhandel an einer zentralen Strombörse zur Verfügung. e European Energy Exchange (EEX) ist dabei in Deutschland und Europa die wichtigste Handelsplattform. /FFE-6 12/

14 8 Definitionen Für Strom bietet die EEX folgende drei Märkte an: OTC-Markt Terminmarkt Spotmarkt mit Day-ahead- und Intraday-Handel Day-ahead-Handel Im Day-ahead-Handel kann an 365 Tagen im Jahr jeweils in einer Auktion um 15 Uhr für die 24 Stunden des folgenden Tages geboten werden. Es können Verkaufs- und Kaufangebote mit den Preisgrenzen von ± 3. Euro/MWh sowohl für einzelne Stunden, Stundenblöcke oder Bänder (Base, Peak) abgegeben werden. /FFE-6 12/ Intraday-Handel Der Mechanismus für Intraday-Handel an der EPEX-Spot ist der eines sogenannten kontinuierlichen Handels. eser wird an sieben Tagen in der Woche und 24 Stunden am Tag, einschließlich gesetzlicher Feiertage durchgeführt. Für den folgenden Tag startet der Handel immer um 15 Uhr. Der minimale Preis, der maximale Preis sowie der gewichtete ttelwert werden für alle Stunden veröffentlicht. /FFE-6 12/ Regelleistung (PRL, SRL, MR) In Deutschland existieren drei Regelleistungsarten: Primärregelleistung (PRL), Sekundärregelleistung (SRL) und nutenreserve (MR). Im Falle einer Störung erfolgt zunächst die automatische Aktivierung der mentanreserve, die aus der elektromagnetischen Energie bzw. kinetischen Energie besteht, die im Drehfeld bzw. in den Schwungmassen in den Generatoren der Kraftwerke gespeichert ist. e PRL folgt innerhalb weniger Sekunden nach Auftreten der Störung. Sie bezieht ihre zunächst aus der kinetischen Energie rotierender Massen. Bei unerwartet großen Schwankungen setzt die SRL maximal 3 Sekunden nach dem Auftreten der Störung ein. ese wird vorwiegend von Speicherkraftwerken und in Teillast laufenden Kraftwerken (hydraulisch, thermisch) zur Verfügung gestellt. Ist bis 15 nuten nach Eintreten der Störung die erbrachte Regelleistung nicht ausreichend, aktiviert der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) die nutenreserve. /ROON-1 6/, /FFE-6 12/

15 9 3 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien Im Bereich Erneuerbare Energien werden Photovoltaik-, Windkraft- und Biomasseanlagen näher untersucht. Ferner wurden sonstige regenerative Energieträger zur Stromerzeugung (Offshore-Windkraft, Wasserkraft, Geothermie) berücksichtigt. Zu den untersuchten Energieträgern und Szenarien werden die installierten en und die Erzeugungsgänge in regionaler Auflösung bilanziert. 3.1 Situation der Erneuerbaren Energien in Deutschland Seit dem Jahr 2 wird durch das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (auch: Erneuerbare-Energien-Gesetz, kurz EEG) der Ausbau von Erneuerbaren Energien sehr wirksam gefördert. Wie erfolgreich der Ausbau ist, wird vor allem beim Vergleich der jährlich aktualisierten Leitszenarien Teil der umfassenderen Leitstudien deutlich. In den Leitszenarien wird erläutert, wie die Ziele der Bundesregierung zum Ausbau Erneuerbarer Energien ( ) umgesetzt werden können. Für die wichtigsten Erneuerbaren Energieträger wird der Ausbau für die nächsten Jahre prognostiziert. 7 GW 6 GW 5 GW 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW FfE Bayernplan 22_ Jahr GW FfE Bayernplan 22_ Jahr Photovoltaik Biomasse 5 GW 4 GW 3 GW 2 GW GW 25 GW 2 GW 15 GW 1 GW GW 5 GW GW FfE Bayernplan 22_ Jahr GW FfE Bayernplan 22_ Jahr Abbildung 3-1: Wind (Onshore) Wind (Offshore) Vergleich der Ausbauszenarien für verschiedene Veröffentlichungsjahre der Leitstudie Der Vergleich der Ausbauszenarien in Abbildung 3-1 zeigt deutlich, dass für nahezu alle Energieträger eine kontinuierliche Anpassung hin zu höheren installierten

16 installierte 1 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien en notwendig war. Vor allem der schnelle Ausbau im Bereich der Photovoltaik ist hier deutlich zu erkennen. Im Bereich der Offshore-Windkraftanlagen konnten bisher die gesetzten Ziele nur knapp erreicht werden. es führte zu einer leicht rückläufigen Prognose. e installierte für das Jahr 23 in der aktuellsten Studie überschreitet allerdings die Werte der direkten Vorgängerstudien leicht. Auch das Szenario C der im Juli 211 vorgelegten Eingangsdaten Konsultation zum Szenariorahmen für den Netzentwicklungsplan 212 gibt einen aufschlussreichen Blick auf den zu erwartenden Ausbau bei den Erneuerbaren Energien. Das Szenario C basiert auf einer Zusammenstellung von Einzelangaben für die Bundesländer. e so ermittelten en liegen teilweise deutlich über denen des aktuellsten Leitszenarios, siehe Abbildung 3-2. Insbesondere die installierte der Onshore- Windkraftanlagen liegt mit 7 GW im Jahr 222 deutlich über dem Wert nach Leitszenario (36 GW im Jahr 22). e Zahlen wurden im genehmigten Szenariorahmen bestätigt. 25 GW 2 GW 15 GW 1 GW GW 1 GW 75 GW 5 GW Photovoltaik Leitstudie Windkraft, Onshore NEP 211 Windkraft, Offshore NEP 212 Biomasse 5 GW GW FfE Bayernplan 22_ Jahr 25 GW GW Prognose 222 bzw. 223 FfE Bayernplan 22_16 Abbildung 3-2: Installierte zur Stromerzeugung aus Windkraft, Photovoltaik und Biomasse nach Leitszenario und Szenariorahmen für den Netzentwicklungsplan e etwas geringere installierte an Photovoltaikanlagen im Jahr 222 nach Leitszenario A, 211 /DLR-1 12/ entspricht einem jährlichen Zubau von drei Gigawatt. es liegt unter dem Ausbaukorridor nach EEG und anderen Prognosen. e nach Leitszenario erwartete, gesamte an Erneuerbaren Energien für das Jahr 23 hat sich in den letzten vier Jahren fast verdoppelt. Szenario C des Netzentwicklungsplans gibt sogar eine von 174 GW für das Jahr 222 an.

17 y-achse - Photovoltaik Photovoltaik Im Rahmen verschiedener Studien wurden an der FfE Daten zum PV-Bestand erhoben, mögliche Potenziale berechnet sowie verschiedene Szenarien für den weiteren Ausbau der Photovoltaik entwickelt. e Analysen wurden im Rahmen des Regionenmodells auf Gemeindeebene durchgeführt. mit können alle Szenarien differenziert nach Regionen ausgewertet werden. Es folgt eine kurze Vorstellung der Datenbasis des Regionenmodells. In Tabelle 3-1 sind die Potenziale für die verschiedenen Gebäudetypen für Deutschland dargestellt. Das gesamte Potenzial in Deutschland beträgt 2 GW. Tabelle 3-1: PV-Potenzial nach Gebäudetyp Deutschland Wohnen Wohngebäude Garagen GHD und Industrie Büro- und Verwaltungsgebäude Gewerbegebiete nstige Gebäude Landwirtschaft Tierhaltung Maschinenhallen Summe 11 GW 14 GW 6 GW 59 GW 15 GW 38 GW 7 GW 31 GW 17 GW 1 GW 2 GW e dellierung des Ausbaus erfolgte über eine asymmetrische Sigmoidfunktion. e Funktion lässt sich wie in Gleichung (3-1) darstellen und zeigt im nderfall einer symmetrischen Sigmoidkurve einen Kurvenverlauf wie in Abbildung 3-3. ( ( ( )) ) (3-1) x - Achse Abbildung 3-3: Symmetrische Sigmoidfunktion.

18 12 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien Unter Berücksichtigung des Bestands und des Potenzials kann so die zukünftige Entwicklung der PV-Anlagen wie in Abbildung 3-4 beschrieben werden. e Geschwindigkeit des Ausbaus je Gemeinde wurde so angepasst, dass in Summe die Ziele nach Leitszenario A, 211 erfüllt werden /DLR-1 12/, siehe Tabelle 3-2. Tabelle 3-2: Installierte Photovoltaik in Deutschland nach Leitszenario A, 211 /DLR-1 12/ Jahr Installierte Photovoltaik in D [MW]

19 Photovoltaik 13 1,4 MW 1,2 MW 1, MW,8 MW,6 MW,4 MW dell Bestand,6 MW,5 MW,4 MW,3 MW,2 MW dell Bestand,2 MW,1 MW FfE RWE-12#A Kurzfristprognosse EE_eV_48, MW Dez 2 Dez 21 Dez 22 Dez 23 (a) 3, MW dell 2,5 MW Bestand 2, MW 1,5 MW 1, MW,5 MW FfE RWE-12#A Kurzfristprognosse EE_eV_42, MW Dez 2 Dez 21 Dez 22 Dez 23 FfE RWE-12#A Kurzfristprognosse EE_eV_41, MW Dez 2 Dez 21 Dez 22 Dez 23 (b) 45 MW 4 MW dell 35 MW Bestand 3 MW 25 MW 2 MW 15 MW 1 MW 5 MW FfE RWE-12#A Kurzfristprognosse EE_eV_45 MW Dez 2 Dez 21 Dez 22 Dez 23 Abbildung 3-4: (c) Ausbaukurven ausgewählter Gemeinden für PV-Anlagen auf Gebäuden und Fassaden (d) In Abbildung 3-5 ist die in den einzelnen Gemeinden zuzubauende nach Leitszenario A, 211 dargestellt /DLR-1 12/.

20 und Last und Last 14 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien Abbildung 3-5: Regional aufgelöster Ausbau für PV-Anlagen nach Leitszenario 211 Der sgang der Photovoltaik-Anlagen kann ebenfalls dem Regionenmodell entnommen werden. Basierend auf (unter anderem) Einstrahlungsdaten und Außentemperatur aus dem mittleren Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes /DWD-1 4/ sowie Anpassung an das langjährige ttel der Globalstrahlung und der Orientierung wurde für jede Gemeinde ein normierter sgang bestimmt. Durch Multiplikation mit der installierten je Gemeinde und Summierung über alle Gemeinden eines Gebiets kann der PV-sgang bestimmt werden. 3 GW 25 GW Deutschland 8 GW 7 GW Bayern 6 GW 2 GW 5 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 Deutschland Bayern Abbildung 3-6: sgang Photovoltaik, Jahr 223

21 Installierbare Windkraft Windkraft Im Rahmen verschiedener Studien wurden an der FfE Daten zum Bestand erhoben, mögliche Potenziale berechnet sowie verschiedene Szenarien für den weiteren Ausbau der Windkraft entwickelt. e Analysen wurden im Rahmen des Regionenmodells auf Gemeindeebene durchgeführt. mit können alle Szenarien differenziert nach Regionen ausgewertet werden. Es folgt eine kurze Vorstellung der Datenbasis des Regionenmodells. Im Rahmen der Potenzialbestimmung wurden neben den gemeldeten Ausschlussflächen in Bayern auch folgende Flächen betrachtet: Siedlungsgebiete inklusive eines Puffers von 1. m Gewerbliche- und industrielle Gebiete inklusive eines Puffers von 5 m Flora-Fauna-Habitat-Schutzgebiete inklusive eines Puffers von 5 m SPA (Special Protected Areas) und Vogelschutzgebiete inklusive eines Puffers von 5 m Naturschutzgebiete (NSG) inklusive eines Puffers von 5 m Nationalparks (NTP) inklusive eines Puffers von 5 m Große Hauptverkehrsstraßen inklusive eines Puffers von 1 m Kleinere Hauptverkehrsstraßen inklusive eines Puffers von 5 m Stromleitungen inklusive eines Puffers von 5 m Eisenbahnstrecken inklusive eines Puffers von 1 m Biotope gem. 3 BNatschG /BRD-2 9/ Landschaftsschutzgebiete Naturparks Biosphärenreservate Waldgebiete Neben diesen Ausschlusskriterien wurde die Eignung aller Standorte über die mittlere Windgeschwindigkeit abgeschätzt. Unter Berücksichtigung der Fläche mit eingeschränkter Nutzung, des Ausschlusses kleiner Windeignungsflächen (kleiner 2 ha) und einer mittleren sdichte von,15 MW/ha ergibt sich die in Abbildung 3-7 dargestellte Potenzialkurve für Deutschland. 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW FfE RWE-13_46 GW 7,5 m/s 7 m/s 6,5 m/s 6 m/s 5,5 m/s 5 m/s mittlere Windgeschwindigkeit in 1 m Höhe Abbildung 3-7: Potenzialkurve für Deutschland Das gesamte Potenzial im Bundesgebiet liegt in der Größenordnung von 1 bis 3 GW. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, wäre es notwendig, alle geeigneten Flächen mit mittleren Windgeschwindigkeiten von 5,5 bis 6,5 m/s zu nutzen. Falls nur Standorte mit

22 16 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien Windgeschwindigkeiten größer 7 m/s genutzt werden sollen, reduziert sich das Potenzial auf etwa 32 GW. Basierend auf dem jeweiligen verfügbaren Potenzialen wurde der Ausbau je Gemeinde so angepasst, dass in Summe die Ziele nach Leitszenario A, 211 erfüllt werden /DLR-1 12/, siehe Tabelle 3-2. Tabelle 3-3: Installierte Windkraft Onshore in Deutschland nach Leitszenario A, 211 /DLR-1 12/ Jahr Installierte Windkraft in D [MW] In Abbildung 3-8 ist die zuzubauende basierend auf dem Leitszenario A, 211 dargestellt.

23 und Last und Last Windkraft 17 Abbildung 3-8: Regional aufgelöster Ausbau für Windkraftanlagen basierend auf der Leitstudie Der sgang der Windkraft-Anlagen kann ebenfalls dem Regionenmodell entnommen werden. eser basiert auf einer Auswertung einzelner Anlagenstandorte und der Wetterdaten des mittleren Testreferenzjahres des Deutschen Wetterdienstes /DWD-1 4/, /FFE-2 12/. 3 GW 25 GW Deutschland 8 GW 7 GW Bayern 6 GW 2 GW 5 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 Deutschland Bayern Abbildung 3-9: sgang Windkraft, Jahr 223

24 und Last und Last 18 Ausbauszenarien Erneuerbare Energien 3.4 Biomasse Der Bestand an Anlagen zur Stromerzeugung aus Biomasse ist in der FfE- EEG-Datenbank in räumlicher Auflösung hinterlegt. Für jede Anlage sind die Zuordnung zu einem Bundesland, die Betriebsweise (zum Beispiel KWK) und die Volllaststundenzahl bekannt. Basierend auf diesen Daten und entsprechenden dellen wurden die sgänge modelliert, siehe Abbildung GW 25 GW 2 GW Deutschland 8 GW 7 GW 6 GW 5 GW Bayern 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 Deutschland Abbildung 3-1: sgang Biomasse, Jahr 223 Bayern e Fortschreibung erfolgt basierend auf der Leitstudie 211. mit steigt die von 5,4 GW in 211 auf 8,2 GW in nstige Erneuerbare Energien Zusätzlich zur Photovoltaik, Windkraft und Biomasse wurden auch regenerative Stromerzeuger betrachtet: folgende Wind Offshore Geothermie Wasserkraft Auch hier wurden räumlich differenziert Potenziale, Ausbauszenarien (basierend auf der Leitstudie) und sgänge generiert. Eine umfassende Beschreibung erfolgt im Rahmen des Abschlussberichts zum laufenden Projekt EnEff:Stadt Chancen und Risiken der KWK im politischen Umfeld.

25 und Last und Last und Last und Last und Last und Last Vergleich der sgänge Vergleich der sgänge In Abbildung 3-11 sind die sgänge der regenerativen Erzeuger gegenübergestellt. Bewusst wurde eine gleichartige Skalierung der y-achse gewählt, um die sspitzen und Energiemengen besser vergleichen zu können. Deutlich ist bei Windkraft und Photovoltaik ein saisonales Profil der Einspeisung zu erkennen. e Stromerzeugung aus Biomasse weist ein deutlich gleichmäßigeres Einspeiseprofil auf. Der Windkraft kommt derzeit in der bayerischen Energieversorgung nur eine geringe Bedeutung zu. 3 GW 25 GW Deutschland 3 GW 25 GW Bayern 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 Biomasse Deutschland Biomasse Bayern 3 GW 25 GW Deutschland 3 GW 25 GW Bayern 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 Wind Deutschland FfE Bayernplan 22_35 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 Wind Bayern FfE Bayernplan 22_35 3 GW 25 GW Deutschland 3 GW 25 GW Bayern 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 2 GW 15 GW 1 GW 5 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr 223 FfE Bayernplan 22_35 PV Deutschland PV Bayern Abbildung 3-11: Vergleich der sgänge, Jahr 223

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27 21 4 Kraftwerkspark und Stromerzeugung Im folgenden Kapitel wird zunächst ein Überblick zur aktuellen Stromerzeugung in Deutschland gegeben. Im Anschluss wird die FfE-Kraftwerksdatenbank vorgestellt und ein Szenario für den zukünftigen Kraftwerkspark abgeleitet. 4.1 Struktur der Stromerzeugung In Abbildung 4-1 ist die Struktur der Bruttostromerzeugung in Deutschland im Jahr 21 dargestellt, welche insgesamt bei 614 TWh lag. Hierin enthalten sind der Eigenverbrauch der Kraftwerke, Pumpstromverbrauch und Verluste. e Nettostromerzeugung also die verbleibende Stromerzeugung ohne die genannten Verluste liegt um etwa 7 TWh darunter. Abbildung 4-1: Einsatz von Energieträgern zur Stromerzeugung 211 in Gesamtdeutschland, Berechnungen nach /BMWI-2 12/ Wie die Abbildung zeigt, basiert die Stromerzeugung in Deutschland auf einem breiten Energieträgermix. Trotz des Ausbaus erneuerbarer Energien bleibt Kohle der wichtigste Energieträger der Anteil der Braunkohle ist zuletzt wieder leicht angestiegen. e Stromerzeugung aus Kernenergie ist deutlich rückläufig und lag 211 um etwa 3 % unter dem Niveau von 199. Steigerungen gab es dagegen beim Erdgas. Während die seit Jahrzehnten genutzte Wasserkraft kaum weiter ausgebaut werden konnte, gab es bei den neuen erneuerbaren Energien Wind, Biomasse und Photovoltaik, die 199 noch keine Rolle spielten, bis 211 einen Anstieg auf 98 TWh oder 16 % der Gesamterzeugung.

28 installierte installierte installierte 22 Kraftwerkspark und Stromerzeugung 4.2 FfE-Kraftwerksdatenbank e im FfE-Regionenmodell hinterlegte Kraftwerksdatenbank bildet den Kraftwerkspark in Deutschland mit einer hohen Detailtiefe ab. Unter anderem sind für jedes Kraftwerk folgende Informationen vorhanden: Energieträger (Uran, Erdgas, Steinkohle, Braunkohle, Heizöl schwer (HS), Heizöl extra leicht (HEL), Abfall, Wasserkraft) (elektrische, KWK-, Fernwärmeleistung (falls vorhanden), Brutto-/Nettoleistung) Inbetriebnahmejahr, Jahr der letzten Ertüchtigung Außerbetriebnahmejahr Anlagenart (Dampfkraftwerk, Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk, Gasturbine) Wirkungsgrad Neben den bereits in Betrieb befindlichen Kraftwerken sind auch die geplanten Kraftwerksneubauten bis 216 erfasst. Insgesamt sind dies Kraftwerksneubauprojekte im Umfang von 14,7 GW. Es wird davon ausgegangen, dass nicht alle in Planung befindlichen Kraftwerksneubauten realisiert werden. Folgende Annahmen werden getroffen: KWK- Anlagen, die einen Ersatz für alte Anlagen darstellen, werden sicher gebaut. es ist plausibel, da diese KWK-Anlagen meist auch ein Wärmenetz versorgen und somit ein Wärmeerzeuger am Standort benötigt wird. Von den geplanten nicht-kwk-anlagen wird rund ein Drittel gebaut. Ab 22 werden rückzubauende Kraftwerke am gleichen Standort erneuert, bzw. ertüchtigt. es ist notwendig, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. t diesen Daten kann der voraussichtliche Kraftwerkspark für die Jahre 213, 223 und 233 bestimmt werden. In den nachfolgenden Tabellen ist jeweils der Kraftwerkspark für Deutschland und Bayern je Stützjahr ausgewiesen. In Abbildung 4-2 ist die Entwicklung der gesamten installierten für Deutschland und Bayern abgebildet. 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW 14 GW 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW FfE Bayernplan 22_2 FfE Bayernplan 22_195 Abfall HEL HS Braunkohle Steinkohle Erdgas Uran 14 GW 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW FfE Bayernplan 22_196 Jahr Jahr Jahr Abbildung 4-2: Deutschland Bayern Entwicklung der installierten in konventionellen Kraftwerken in Deutschland und Bayern e der konventionellen Kraftwerke in Deutschland sinkt von ca. 11 GW auf knapp 8 GW. Nicht dargestellt ist installierte von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien. In Bayern sind alleine in großen Wasserkraftwerken (

29 Restlast und KW- 23 FfE-Kraftwerksdatenbank 23 größer 1 MW) rund 8 MW installiert. Als zusätzliche Erzeugungsleistungen mit hoher Versorgungssicherheit stehen Biomasse- und Geothermieanlagen zur Verfügung. Im Rahmen von /FFE-2 12/ wurde gezeigt, dass mit diesem Kraftwerkspark die Jahreshöchstlast in Deutschland sicher gedeckt werden kann, siehe Abbildung 4-3. In schwarz ist das Tagesmaximum der Höchstlast im Jahresverlauf dargestellt. Auf die Darstellung des stündlichen Verlaufs der Last wurde zu Gunsten der Übersichtlichkeit verzichtet. e farbigen Bereiche markieren die in konventionellen Kraftwerken nach Anlagentyp. Da in Folge von Revisionen und geplanten Stillstandszeiten nicht die gesamte in jeder Stunde des Jahres verfügbar ist, wurden planbare Nichtverfügbarkeiten berücksichtigt. GT GuD SKW BKW Tagesmaximum der Restlast 6 GW 5 GW 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abbildung 4-3: Tagesmaxima der Restlast und verfügbare Kraftwerke im Jahr 23. Es ist nicht mit sehr umfangreichen zusätzlichen Kraftwerksneubauten zu rechnen. Der dargestellte Kraftwerkspark ist geeignet zur dellierung des Kraftwerkseinsatzes in den Jahren 213, 223 und 233. t dem so ermittelten Kraftwerkseinsatz können der Betrieb von GuD-Anlagen und die Potenziale für flexible Biogasanlagen abgebildet werden. In Tabelle 4-1 bis Tabelle 4-8 ist der angenommene Kraftwerkspark differenziert nach Kraftwerkstypen und Einsatzbereich dargestellt. Der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens diskutierte Zubau von GuD-Anlagen mit einer von bis zu 3,5 GW in Bayern ist in diesen Tabellen nicht enthalten.

30 24 Kraftwerkspark und Stromerzeugung Tabelle 4-1: Kraftwerkspark in Deutschland, Jahr 21 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas MW MW 7.48 MW MW MW MW Steinkohle MW MW 7.46 MW MW MW MW Braunkohle MW 1.97 MW 244 MW 244 MW MW MW HS 84 MW MW 31 MW 57 MW MW 57 MW HEL 1.7 MW 481 MW 512 MW 512 MW MW 993 MW Abfall 488 MW 488 MW 616 MW 616 MW 1.14 MW 1.14 MW Summe MW MW MW MW MW MW Tabelle 4-2: Kraftwerkspark in Bayern, Jahr 21 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran 6.42 MW MW MW MW 5.58 MW MW Erdgas 4.32 MW MW MW 718 MW MW MW Steinkohle 884 MW 468 MW 156 MW 156 MW 1.4 MW 624 MW Braunkohle MW MW MW MW MW MW HS 84 MW MW MW MW 84 MW MW HEL 17 MW 11 MW MW MW 17 MW 11 MW Abfall 12 MW 12 MW 12 MW 12 MW 221 MW 221 MW Summe MW MW MW 994 MW MW MW Tabelle 4-3: Kraftwerkspark in Deutschland, Jahr 213 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas MW MW 7.48 MW MW MW MW Steinkohle MW MW 7.46 MW MW MW MW Braunkohle MW 1.97 MW 244 MW 244 MW MW MW HS 84 MW MW 31 MW 57 MW MW 57 MW HEL MW 44 MW 512 MW 512 MW MW 952 MW Abfall 488 MW 488 MW 616 MW 616 MW 1.14 MW 1.14 MW Summe MW MW MW MW MW MW

31 FfE-Kraftwerksdatenbank 25 Tabelle 4-4: Kraftwerkspark in Bayern, Jahr 213 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran 5.58 MW MW MW MW 5.58 MW MW Erdgas 4.32 MW MW MW 718 MW MW MW Steinkohle 884 MW 468 MW 156 MW 156 MW 1.4 MW 624 MW Braunkohle MW MW MW MW MW MW HS 84 MW MW MW MW 84 MW MW HEL 17 MW 11 MW MW MW 17 MW 11 MW Abfall 12 MW 12 MW 12 MW 12 MW 221 MW 221 MW Summe MW MW MW 994 MW MW MW Tabelle 4-5: Kraftwerkspark in Deutschland, Jahr 223 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas MW MW 7.48 MW MW MW MW Steinkohle MW MW 7.46 MW MW MW MW Braunkohle MW 1.97 MW 244 MW 244 MW MW MW HS MW MW 31 MW 57 MW 31 MW 57 MW HEL MW 383 MW 359 MW 359 MW MW 741 MW Abfall 47 MW 47 MW 471 MW 471 MW 941 MW 941 MW Summe MW MW MW MW MW MW Tabelle 4-6: Kraftwerkspark in Bayern, Jahr 223 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas 4.32 MW MW MW 718 MW MW MW Steinkohle 884 MW 468 MW 156 MW 156 MW 1.4 MW 624 MW Braunkohle MW MW MW MW MW MW HS MW MW MW MW MW MW HEL 17 MW 11 MW MW MW 17 MW 11 MW Abfall 12 MW 12 MW 89 MW 89 MW 191 MW 191 MW Summe MW MW MW 964 MW MW MW

32 26 Kraftwerkspark und Stromerzeugung Tabelle 4-7: Kraftwerkspark in Deutschland, Jahr 233 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas MW MW 7.48 MW MW MW MW Steinkohle MW MW 7.46 MW MW MW MW Braunkohle MW 1.97 MW 244 MW 244 MW MW MW HS MW MW 31 MW 57 MW 31 MW 57 MW HEL 37 MW 82 MW 359 MW 359 MW 666 MW 44 MW Abfall 316 MW 316 MW 265 MW 265 MW 581 MW 581 MW Summe MW MW MW 9.78 MW MW MW Tabelle 4-8: Kraftwerkspark in Bayern, Jahr 233 Energieträger EVU Industrie Summe P el davon KWK P el davon KWK P el davon KWK Uran MW MW MW MW MW MW Erdgas 4.32 MW MW MW 718 MW MW MW Steinkohle 884 MW 468 MW 156 MW 156 MW 1.4 MW 624 MW Braunkohle MW MW MW MW MW MW HS MW MW MW MW MW MW HEL 17 MW 11 MW MW MW 17 MW 11 MW Abfall 51 MW 51 MW 9 MW 9 MW 6 MW 6 MW Summe 5.74 MW MW MW 884 MW MW MW

33 Preis in /MWh bildung bildung e Handelspreise für Strom an der Strombörse EEX ergeben sich nach Angebot und Nachfrage zum jeweiligen Zeitpunkt. Um seinen Gewinn zu maximieren, wird ein Kraftwerksbetreiber nur zu den Zeiten an der Börse anbieten, an denen der Börsenpreis höher ist als die Grenzkosten seines Kraftwerks. ese Grenzkosten ergeben sich unter Berücksichtigung von Brennstoffkosten, Kosten für CO2-Zertifikate und sonstigen variablen Kosten. Bei konstanter Stromnachfrage wird der an der Börse durch die Einsatzreihenfolge der vorhandenen Kraftwerke vorgegeben. e Reihenfolge des Kraftwerkseinsatzes wird auch als Merit-Order bezeichnet. Zunächst werden die jeweils günstigsten Kraftwerke anbieten, anschließend die nächstteureren, bis die Gesamtnachfrage gedeckt werden kann. Der Börsenpreis ergibt sich schließlich aus den Grenzkosten des letzten (also teuersten) noch benötigten Kraftwerks zur Deckung der Nachfrage. In der Regel resultieren so in Schwachlastzeiten geringere und in Starklastzeiten höhere e. e Merit- Order-Kurve verschiebt sich aber auch wetterbedingt, je nach Vorhandensein von PVoder Windstrom. Da somit eine hohe Residuallast direkt in einem entsprechend hohem resultiert, entspricht der maximale Beitrag zur Deckung der Residuallast durch Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb gleichzeitig einer Gewinnmaximierung. Folglich werden flexible Biogasanlagen vornehmlich in Zeiten hoher e anbieten. mit kann für die nachfolgende dellierung des Einsatzes von Biogasanlagen im Lastfolgebetrieb der zugrunde gelegt werden, da dieser der Residuallast folgt. In Abbildung 4-4 sind die Grenzkosten der Kraftwerke über die kumulierte aufgetragen. Bei einer Restlast von 4 GW resultiert somit ein von ca. 5 /MWh. Bei einer Restlast von 5 GW steigt der auf ca. 6 /MWh. Da sich der Kraftwerkspark in den verschiedenen Betrachtungsjahren unterscheidet, resultiert für jedes Jahr ein unterschiedlicher Verlauf der Grenzkosten und somit der Merit-Order GW 2 GW 4 GW 6 GW Restlast FfE Bayernplan 22_61 Abbildung 4-4: Grenzkosten der Kraftwerke für die Jahre 213, 223 und 233; Brennstoffkosten Stand 211 Unter Berücksichtigung der zukünftigen Änderungen im Kraftwerkspark aufgrund des Ausbaus der erneuerbaren Energien und des forcierten Ausstiegs aus der

34 Preis in /MWh 28 Kraftwerkspark und Stromerzeugung Kernenergie verschiebt sich die Merit-Order und beeinflusst damit den resultierenden. Abbildung 4-4 veranschaulicht diesen Effekt. Ferner muss berücksichtigt werden, dass die Grenzkosten in erster Linie durch die Brennstoffkosten festgelegt sind. Um die zukünftige Entwicklung der Brennstoffkosten abzuschätzen, werden die EEX Phelix Base Load Year Futures herangezogen /EEX-4 12/. ese werden für die Jahre 223 und 233 extrapoliert. Über eine entsprechende Skalierung lässt sich somit der für die Jahre 213, 223 und 233 in Abhängigkeit von der Residuallast bestimmen. In Abbildung 4-5 ist dieser Zusammenhang dargestellt GW 2 GW 4 GW 6 GW Residuallast FfE Bayernplan 22_6 Abbildung 4-5: Grenzkosten der Kraftwerke für die Jahre 213, 223 und 233; Brennstoffkosten nach FfE-Regionenmodell

35 GuD-Kraftwerke GuD-Kraftwerke Zur Stromerzeugung mit Erdgas werden in Deutschland drei verschiedene Anlagentypen eingesetzt: Gasturbinen, Dampfkraftwerke und seit Anfang der 199er Jahre kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD). In diesem und dem nächsten Kapitel werden der Stand der Technik für GuD-Kraftwerke und Gasturbinen vorgestellt. Reine Dampfkraftwerke werden nicht mehr detailliert betrachtet, da sie aufgrund des vergleichsweise geringen Wirkungsgrades für die zukünftige Stromerzeugung voraussichtlich keine große Bedeutung mehr haben. Stand der Technik: GuD-Kraftwerke Technische Details zu einigen Kraftwerken aus der letzten GuD-Generation (zum Beispiel Killingholme mit 52 % Wirkungsgrad) und zur aktuellen GuD-Generation (zum Beispiel Herdecke mit 59 % Wirkungsgrad oder das gerade fertiggestellte Irsching 4 mit über 6 % Wirkungsgrad) sind in Tabelle 4-9 angegeben. Tabelle 4-9: Technische Details verschiedener GuD-Kraftwerke /EON-1 7/, /FFE-3 9/ Killingholme dcot B Mainz- Wiesbaden Herdecke Lingen Irsching 4 Inbetriebnahme Wirkungsgrad 52 % 56 % > 58 % 59 % 59,2 % > 6 % 2 x 45 MW MW 4 MW 4 MW 876 MW > 53 MW Druckverhältnis 11,1 16,4 17,8 17,8 3 19,1 Austrittstemperatur 54 C 55 C 58 C 58 C 63 C 625 C Gasturbine 4 x SGT5-2E SGT5-4F SGT5-4F SGT5-4F Alstom GT26 SGT5-8H Der Wirkungsgrad von GuD-Kraftwerken wird durch den Carnot-Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes und den Joule-Wirkungsrad des Gasturbinenprozesses physikalisch begrenzt. Entscheidende Größe zur Erhöhung des Joule-Wirkungsgrades ist das Verdichtungsverhältnis und somit der Druck, auf den die Verbrennungsluft vor der Gasturbine verdichtet wird. Eine Erhöhung der Gasturbineneintrittstemperatur führt zu erhöhten Austrittstemperaturen und somit höheren Temperaturen im Abhitzekessel. e dadurch erhöhte ischdampftemperatur im Dampfkreislauf resultiert in einem erhöhten Carnot-Wirkungsgrad und somit zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad. Der entsprechende Verlauf der Wirkungsgrade sowie die prognostizierte Entwicklung sind in Abbildung 4-6 dargestellt.

36 3 Kraftwerkspark und Stromerzeugung Abbildung 4-6: Entwicklung des Wirkungsgrades von GuD-Kraftwerken /FFE-42 9/ Der nächste große Wirkungsgradsprung in der GuD-Technologie, der unter anderem durch eine Steigerung der Eintrittstemperatur in die Gasturbine ermöglicht werden soll, wird erst 225 erfolgen. In folgender Tabelle 4-1 werden die Kennwerte einer Auswahl von GuD-Kraftwerken, deren Inbetriebnahme bis 213 in Deutschland bereits erfolgt bzw. geplant ist, dargestellt /BDEW-1 11/. Tabelle 4-1: GuD-Kraftwerke /BDEW-1 11/ Betreiber Elektrische Elektrischer Wirkungsgrad Geplante Inbetriebnahme Bocholt/ Industriepark Museum GDWK Bocholt Power GmbH 4 MW 57 % 212 GuD Knappsack 2 Statkraft 43 MW 59 % 213 GuD Süd/arbrücken VVS arbrücken 39 MW* 84 %** 212 Irsching 4 E.ON Kraftwerke 555 MW > 6 % 211 Köln-Niehl RheinEnergie AG MW 58 % 213 *) 78 % Gasturbine **) Primärenergienutzung, Volllaststunden 3.3 h

37 Gasturbinen-Kraftwerke Gasturbinen-Kraftwerke Gasturbinen werden auf Grund der geringeren Investitionskosten und Wirkungsgrade zur Spitzenlastdeckung eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ein dynamisches Regelverhalten aus und können auf nicht erwartete Veränderungen der Residuallast reagieren. Ursachen für die nicht erwarteten Veränderungen der Residuallast können Prognosefehlern für die Einspeisung aus erneuerbare Energien als auch der Verbraucherlast oder nicht geplante Kraftwerksausfälle sein. Stand der Technik: Gasturbinen-Kraftwerke In Tabelle 4-11 sind einge Beispiele für Gasturbinen-Anlagen von Betreibern der Fern- /Nahwärmeversorgung aufgelistet. Tabelle 4-11: Beispiele für reine Gasturbinen-Anlagen aus dem Bereich Fern- und Nahwärmeversorgung /ASUE-1 6/ Standort Betreiber Gasturbinentyp Elektrische [MW] Anlagenart Inbetrieb- nahme Augsburg Stadtwerke Augsburg Energie GmbH MTU LM 25 PR DLE 1x 3 G/AK* 24 eiburg Universitätsklinik eiburg Kawasaki GPB 6 DLE (Dual) 1x 5,4 G/AK+ZF** 22 Grabe Heidelberg Kassel TEAG Thüringer Energie AG Harpen Energie Contracting GmbH Städtische Werke Kassel AG lar Taurus 6 2x 4,8 G/AK* 24 lar Titan 13 1x 14,3 G/Ab*** 22 MTU LM 25+ 1x 29 G/AK+ZF** 23 Kassel Städtische Werke Kassel AG MTU LM 25 PR DLE 1x 3 G/AK+ZF** 25 Kiel SWKiel Netz-GmbH lar Taurus 6 2x 5,5 G/AK* 24 *) Gasturbine mit Abhitzekessel **) Gasturbine mit Abhitzekessel und Zusatzfeuerung ***) Gasturbine mit abgasbeheizter Absorptionskältemaschine Im Jahr 213 sollen unter anderem die in Tabelle 4-12 aufgeführten Gasturbinen in Betrieb sein. Tabelle 4-12: Gasturbinen-Kraftwerke/BDEW-1 11/ Betreiber Elektrische [MW] Geplante Inbetriebnahme Gasturbinenanlage Infraserv Höchst Infraserv Höchst 2 x Heizkraftwerk Linden Stadtwerke Hannover Linden K+S Hattdorf Werra K+S Hattdorf Spitzenlast-Gasturbine Darmstadt HSE HEAG 1 212

38 32 Kraftwerkspark und Stromerzeugung 4.6 Erzeugung von Biogas Biogas kann direkt vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zu Strom und Wärme umgewandelt werden, siehe Abschnitt 4.7. Alternativ kann das Biogas nach einer Aufbereitung (Entschwefelung, CO2-Abscheidung, Trocknung, Verdichtung) in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist oder zum Betrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden, was in vorliegender Studie jedoch nicht betrachtet wird. e Erzeugung von Biogas erfolgt in einem Fermenter. Der Erzeugungsprozess hat den Vorteil, dass Abfallstoffe, aber auch Energiepflanzen wie Mais als Substrate verwendet werden können und die Gärreste oft als hochwertiger Dünger Verwendung finden. e Verfügbarkeit der Anlagen bei stabilem Prozess ist sehr hoch und steht bei kontinuierlicher Beschickung das ganze Jahr zur Verfügung. Nachteilig ist der empfindliche Betrieb der Anlage, das Wachstum der kroorganismen muss ständig kontrolliert werden und der Betreiber muss über ein entsprechendes Know-how verfügen. Wird dies nicht beachtet, kann die Anlage mehrere nate ausfallen und die Wirtschaftlichkeit negativ beeinträchtigt sein /FFE-6 6/. In den Berechnungen zur Flexibilisierung von Biogasanlagen (Kapitel 6) wurde weitgehend ein möglichst hoher Einsatz von Gülle und landwirtschaftlichen Reststoffen (z.b. Grünland) zur Biogaserzeugung berücksichtigt. Aufgrund der möglichen Nahrungsmittelkonkurrenz sollte die Verwendung von Energiepflanzen wie Mais keine Voraussetzung für das angenommene Biogaspotenzial sein. e genaue Potenzialberechnung ergibt sich aus den Ausführungen von Arbeitsgruppe Biogas-BHKW Biogas-Blockheizkraftwerke (BHKW) sind kombinierte Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung, die mit Biogas betrieben werden. Sie bestehen aus einem oder mehreren BHKW-Aggregaten, den notwendigen Hilfseinrichtungen (z.b. Biogaszuführung), Schalt- und Steuerungseinrichtungen, Schallschutzdämmung, Abgasabführung sowie Luftzuführung und Belüftung. Für die energetische Nutzung von Biogas sind BHKW besonders geeignet, da ein Teil der erzeugten Wärme wiederum für die Produktion des Biogases genutzt werden kann. Biogas lässt sich auf mehrere Arten in BHKW einsetzen. Nach /FFE-6 6/ finden sowohl Gas-Otto-toren, eselgas-toren, Stirlingmotoren als auch kro- Gasturbinen Verwendung. Aus dieser Studie sind Teile der nachfolgenden Technikbeschreibungen übernommen. Gas-Otto-tor-BHKW Gas-Otto-toren sind speziell für den Gasbetrieb entwickelte toren, die wie Benzinmotoren nach dem Ottoprinzip arbeiten. Beim Einsatz von Biogas in Gas-Otto- toren ist ein ndestgehalt an Methan von ca. 45 % notwendig. Neben Biogas können auch andere Gasarten wie z.b. Erdgas verwendet werden. e Stromerzeugung in einem BHKW mit Gas-Otto-toren weist einen elektrischen Wirkungsgrad bis zu 4 % auf. Bei Nutzung der anfallenden Wärme sind

39 Biogas-BHKW 33 Gesamtwirkungsgrade von über 9 % möglich. Der Gas-Otto-tor ist die für BHKW am häufigsten eingesetzte torentechnik. eselgas-bhkw Das Produktgas aus der Biomassevergärung wie auch Deponie- oder Klärgas kann in eselgas-bhkw eingesetzt werden. Der eselgasmotor (auch als Zündstrahlmotor bekannt) basiert auf dem Prinzip des eselmotors. Im tor wird das Gasluftgemisch bis nahe an dessen Zündtemperatur verdichtet. Durch das Einspritzen einer geringen Menge Zündöl (Heizöl, esel oder Biodiesel) wird die Zündung herbeigeführt, die die Verbrennung des gesamten brennbaren Gemisches einschließlich des Biogases einleitet. Optimierte toren können mit einer Zündölmenge von 2 % auskommen, realisierte Anlagen brauchen in der Regel bis zu 1 % der gesamten zugeführten Brennstoffleistung. e Bedeutung dieser tortechnik nahm in der Vergangenheit ab, da die vorhandenen Anlagen vielfach durch den Gas-Otto-tor ersetzt wurden. Aus Effizienzgesichtspunkten sind Zündstrahl-toren jedoch nach wie vor vorteilhafter als Gas- Otto-toren. Nach Angaben der SCHNELL toren AG bieten neue Zündstrahlmotoren einen um 5 % höheren Wirkungsgrad als übliche Gasmotoren. Für eine größere Anlage dieses Unternehmens konnte kürzlich ein elektrischer Wirkungsgrad gemäß ISO EN 346 von 48,3 % bestätigt werden /SCHNELL-1 1/. Stirlingmotor-BHKW Der Stirlingmotor fällt in die Gruppe der Heißgas- oder Expansionsmotoren, bei denen die Kolbenbewegungen nicht durch Expansion von Verbrennungsgasen einer inneren Verbrennung erfolgen. Bei der Expansion im Stirlingprozess dehnt sich eine konstante Menge eines eingeschlossenen Gases auf Grund der externen Energiezufuhr einer Wärmequelle aus. Dadurch ist die Krafterzeugung gänzlich von der Feuerung entkoppelt, die prinzipiell mit beliebigen Brennstoffen arbeiten kann. Neben Biogas können daher auch Feststoffe wie Hackschnitzel, Pellets oder Sägespäne eingesetzt werden. kro-gasturbinen krogasturbinen sind eine Möglichkeit, kleinere en (2 bis 5 kwel) zu realisieren. Durch ihre Kompaktheit lassen sich krogasturbinen im Gegensatz zu Gasturbinen in Blockbauweise aneinanderreihen. Durch die kleinere Bauweise ist allerdings der elektrische Wirkungsgrad geringer als bei Gasturbinen. Höhere Wirkungsgrade können durch den Einsatz eines Rekuperators erzielt werden. Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz.

40

41 Stromaufkommen und -verwendung in TWh 35 5 Stromverbrauch und Lastgänge In diesem Kapitel wird der Stromverbrauch in Deutschland aufgezeigt und ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklung gegeben. Anschließend werden die Verbraucherlastgänge für verschiedene Jahre dargestellt. 5.1 Aufkommen und Verwendung von Strom Im Gegensatz zum Primärenergieverbrauch und den CO2-Emissionen ist der Stromverbrauch in Deutschland in den letzten Jahren weitgehend konstant geblieben oder sogar leicht angestiegen. e historische Entwicklung ist in Abbildung 5-1 dargestellt. Im Jahr 29 konnte aufgrund der Wirtschaftskrise ein Rückgang im Nettostromverbrauch beobachtet werden; derzeit ist die Tendenz allerdings wieder ansteigend Stromaufkommen inkl. Importe Netto-Stromverbrauch Verluste, Eigenverbrauch, Pumpstromverbrauch Exporte 1 FfE Bayernplan 22_ Abbildung 5-1: Entwicklung des Nettostromverbrauchs in Deutschland, , Berechnungen nach /BMWI-2 12/ Größter Stromverbraucher in Deutschland ist die Industrie, siehe die Aufteilung in Sektoren in Abbildung 5-2. Es folgen Haushalte, Handel und Gewerbe sowie öffentliche Einrichtungen. In den letzten Jahren konnte zudem ein leichter Exportüberschuss verzeichnet werden.

42 Netto-Stromverbrauch in TWh Verwendung von Strom in TWh 36 Stromverbrauch und Lastgänge Industrie Haushalte Handel u. Gewerbe Öffentliche Einrichtungen Verkehr Landwirtschaft Exportüberschuss FfE Bayernplan 22_ Abbildung 5-2: Verwendung von Strom in Deutschland nach Sektoren , Berechnungen nach /BMWI-2 12/ e Abbildung zeigt, dass vor Allem die Nachfrage im Industriesektor konjunkturellen Schwankungen unterworfen ist. Der Stromverbrauch der übrigen Sektoren entwickelte sich in den letzten zwei Jahrzehnten gleichbleibend mit leicht steigender Tendenz. 5.2 Zukünftige Entwicklung des Stromverbrauchs Bei der zukünftigen Entwicklung des Stromverbrauchs ist tendenziell mit einem weiter gleichbleibenden Verlauf zu rechnen. sieht etwa der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) die Nachfrage bis zum Jahr 23 im Basispfad konstant auf dem Niveau von 27/28 und damit eine Fortschreibung im Bereich 54 TWh/a. Bei einer Sensitivitätsbetrachtung wurde eine Abweichung vom Basispfad von ± 1 % für realistisch erachtet. Es ergibt sich die mögliche Nachfrageentwicklung wie in Abbildung 5-3 dargestellt Netto-Stromverbrauch BDEW max. BDEW Basis Netzentwicklungsplan 212 BDEW min. FfE Bayernplan 22_ Abbildung 5-3: Entwicklung des Netto-Stromverbrauchs bis zum Jahr 23, nach /BDEW-4 1/ und /NEP-1 12/ Eine ähnliche Entwicklung wird im Netzentwicklungsplan Strom 212 gesehen /NEP-1 12/. Für alle Szenarien wurde dort von einer jährlichen Netto-Stromnachfrage von 535,4 TWh ausgegangen.

43 Last Last Last Last Lastgänge 37 Für die weiteren Berechnungen in vorliegender Studie wird in allen Szenarien von einem konstant fortgeschriebenen Stromverbrauch (gegenüber dem heutigen Stand) ausgegangen. 5.3 Lastgänge Aus den vorangegangenen Überlegungen zum Stromverbrauch ergibt sich, dass der Stromverbrauch und die Jahreshöchstlast im betrachteten Zeitraum konstant bleiben wird. e Verbraucherlastgänge für diese Untersuchung wurden dem Regionenmodell der FfE in räumlicher Auflösung entnommen. In Abbildung 5-4 ist der Jahresverlauf der Verbraucherlast dargestellt. Es kann ein typisches, saisonales Profil beobachtet werden. e Jahreshöchstlast liegt im Winter. 8 GW 7 GW 6 GW 5 GW 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez nat FfE Bayernplan 22_63 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez nat FfE Bayernplan 22_64 Abbildung 5-4: Deutschland Bayern Verbraucherlastgang eines Jahres für Deutschland und Bayern Abbildung 5-5 zeigt den Lastverlauf für eine Woche in Deutschland und Bayern. Hier ist neben dem typischen Tagesprofil auch der niedrigere Stromverbrauch am Wochenende zu erkennen. 8 GW 7 GW 6 GW 5 GW 4 GW 3 GW 2 GW 1 GW GW Kalenderwoche 2 (Mai) FfE Bayernplan 22_89 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW Kalenderwoche 2 (Mai) FfE Bayernplan 22_88 Abbildung 5-5: Deutschland Bayern Verbraucherlastgang einer Woche für Deutschland und Bayern

44 und Last 38 Stromverbrauch und Lastgänge 5.4 Residuallastgänge e Residuallast ergibt sich aus der Verbraucherlast (siehe Abschnitt 5.3) abzüglich der gesetzten Einspeisung aus Must-Run-Anlagen. Zu den Must-Run-Anlagen zählen die regenerativen Erzeuger (siehe Kapitel 3) und die KWK-Anlagen. In Abbildung 5-6 sind die Einspeisungen aus Must-Run-Anlagen und die verbleibende Residuallast für die verschiedenen Szenariojahre dargestellt. Stunden mit einer Lastüberdeckung also einer negativen Restlast sind mit der Farbe rot gekennzeichnet. 12 GW 1 GW 8 GW 6 GW 4 GW 2 GW GW Ja FA M Ju AS ON D ne rz pr ai nl ue kt ez o bjahr gp v 213 FfE Bayernplan 22_66 Lastüberdeckung Residuallast Erneuerbare Energien KWK Deutschland Bayern Deutschland Bayern Abbildung 5-6: Deutschland Bayern Lastgangüberdeckung in Deutschland und Bayern

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