Power-to-Heat Umsetzung in Deutschland und Potenziale in Hamburg

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1 Power-to-Heat Umsetzung in Deutschland und Potenziale in Hamburg 9. Sitzung des Energienetzbeirats Hamburg, 7. September 2017 Arne Jan Hinz HanseWerk Natur GmbH (HAWN)

2 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 2

3 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 3

4 Einleitung NEW 4.0 untersucht u.a. das Potenzial von Stromüberangeboten aus Schleswig- Holstein Ziel ist, den abgeschalteten Windstrom nutzbar zu machen Schleswig-Holstein als Exporteur Erneuerbarer Energien und Hamburg als Großverbraucher intelligent zusammenführen Quelle: NEW 4.0 Quelle: NEW 4.0

5 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 5

6 Definition von Power-to-Heat Power-to-Heat wird verstanden als Umwandlung von elektrischem Strom in Wärme eingebettet in einen multivalenten Erzeugungspark optionale Nutzung verschiedener Brennstoffe (erneuerbar oder fossil) und/oder Strom Technologie zur Nutzung von Stromüberschüssen aber auch als wichtige Säule der Sektorenkopplung (Nutzung gezielt für Wärmezwecke erzeugtem Strom) bei Umsetzung im großtechnischen Bereich Elektrokessel oder Elektrodenkessel Großwärmepumpen kann auch auf den Niedertemperaturbereich angewendet werden Wärmepumpenheizungen, Nachtspeicherheizungen, Heizpatronen, Infrarotheizungen (i.d.r. dann aber nicht in multivalentem Erzeuungspark) 6

7 Technologien für elektrische Wärmeerzeugung und Wärmespeicherung Haushalte und Gewerbe Widerstands-Heizsysteme Heizstäbe Strömungserhitzer Flächenheizsysteme Infrarotstrahler Elektrodenheizkessel (Gewerbe) Elektrische Wärmepumpe Bivalente (hybride) Wärmesysteme Industrie und Prozesswärme Prozesse und Verfahren Konduktive Widerstandserwärmung Induktive Erwärmung Hochfrequenzerwärmung Magnetische Gleichstrom-Erwärmung Elektrische Infraroterwärmung Elektrodenkessel (ggf. mit KWK) Elektrische Wärmepumpen Wärmspeicher Sensible Wärmespeicher Latente Wärmespeicher Thermochemische Wärmespeicher Fernwärmeversorgung Elektrische Großwärmepumpen Bivalente (hybride) Wärmesysteme z.b. KWK und Elektrodenheizkessel 8

8 Umsetzung im großtechnischen Bereich Elektrokessel / Tauchsiederprinzip Elektrodenkessel 50 kw bis ca. 15 MW ab ca. 10 MW Quelle: AGFW hoher Wirkungsgrad (> 99%) i.d.r. Regelung in Stufen hohe Verfügbarkeit bei geringen Wartungskosten hohe Lebensdauer, kaum Verschleiß ideal für beaufsichtigungsfreien Betrieb geeignet direkte Einbindung in Wärmenetze möglich 10 Quelle: AGFW, BVA, Parat hoher Wirkungsgrad (> 99%) stufenloser Regelbereich (Min.-Last 0%) schnelle Laständerungsgeschwindigkeit (0 100% in ca. 30 sec.) sofort einsatzbereit (Kaltstart bis Volllast < 5 min)

9 P2H-Anlage in einem Anlagenkomplex Funktionsprinzip Anlagenkomplex KWK-Anlage, Power-to-Heat-Modul (Elektrodenkessel) und Wärmespeicher (Beispielhaft) Quelle: bdew (Link) 11

10 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 12

11 P2H-Anwendungsoptionen heute Quelle: BTB, NEW ENERGY, TU Berlin Zukunft Power-to-Heat deckt verschiedene Anwendungsoptionen im Sinne der Energiewende ab Bereitstellung von Regelenergie / flexiblere Reaktion auf Stromüberangebote Verwertung von lokalen oder regionalen EE-Überschüssen (Netzengpässe) Verwertung von überregionalen EE-Überschüssen (Nachfrage < Angebot) Flexibilisierung der Wärmeerzeugung in Wärmenetzen

12 P2H-Anwendungsoptionen heute Quelle: BTB, NEW ENERGY, TU Berlin Zukunft Power-to-Heat deckt verschiedene Anwendungsoptionen im Sinne der Energiewende ab Bereitstellung von Regelenergie / flexiblere Reaktion auf Stromüberangebote Verwertung von lokalen oder regionalen EE-Überschüssen (Netzengpässe) Verwertung von überregionalen EE-Überschüssen (Nachfrage < Angebot) Flexibilisierung der Wärmeerzeugung in Wärmenetzen

13 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland I aus Blickrichtung Stromnetz - Einspeisemanagement Bereitstellung von Regelenergieleistung Vermarktung als Sekundärregelleistung (SRL) oder Primärregeleistung (PRL) bisher primärer Anwendungsfall, zukünftige Erträge ungewiss, da Preisverfall am Regelenergiemarkt und sehr kurze Abrufe Konkurrenz hoch: Vielzahl von derzeitigen Anbietern, Technologien und Lockerung der Marktbedingungen führt zu aktuell sinkenden Regelenergie-Preisen (=Erlösen) Einspeisemanagement Reduzierung der Einspeiseleistung (Erhöhung der Flexibilität von KWK-Anlagen, statt % Regelbereich 0-100%) Erhöhung des negativen Hubs durch Kombination aus Abschalten der KWK- Anlage + Einsatz eines E-Kessels (PtH) bessere Reaktion auf Engpässe im Stromnetz bei gleichzeitiger Sicherstellung der Wärmeversorgung 15

14 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland II aus Blickrichtung Wärmenetz Backup für Wärmeversorgungssysteme Redundanz für Energieerzeugung in Wärmenetzen Flexibilisierung der Wärmeeinspeisung Wärmeversorger kann Wärmebedarf aus verschiedenen Systemen bedienen Besicherung von besonders kritischen Systemen um Ausfallwahrscheinlichkeiten zu verringern in besonderen Situation günstige Lösung, i.d.r. teure Besicherung, insb. im Betrieb Ermöglicht einen flexibleren Betrieb von BHKW-Anlagen Reduktion von Öl- und Gasverbrauch 16

15 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 17

16 P2H-Anwendungsoptionen Quelle: BTB, NEW ENERGY, TU Berlin Power-to-Heat deckt verschiedene Anwendungsoptionen im Sinne der Energiewende ab Bereitstellung von Regelenergie / flexiblere Reaktion auf Stromüberangebote Verwertung von lokalen oder regionalen EE-Überschüssen (Netzengpässe) Verwertung von überregionalen EE-Überschüssen (Nachfrage < Angebot) Flexibilisierung der Wärmeerzeugung in Wärmenetzen

17 perspektivische Anwendungsfälle für P2H heutige Sicht Verwertung von lokalen und regionalen EE-Überschüssen Verursacht durch Netzengpässe Maßnahmen zur Aufrechterhaltung von Sicherheit und Zuverlässigkeit des Elektrizitätsversorgungssystem nehmen zu Redispatch ( 13.1 EnWG) Einspeisemanagementmaßnahmen ( 14 EEG i. V. m. 13 Abs. 2 EnWG) Verkauf von ansonsten abgeregeltem Strom heute aus rechtlicher Sicht nicht vorgesehen NEW 4.0 hat gezeigt, dass SINTEG- Rahmenbedingungen nicht ausreichen für ein wirtschaftliches Szenario 19 Verwertung von überregionalem EE-Überschuss EE-Abregelung bei negativen Preisen am Strommarkt, ggf. Regelenergiebedarf durch fluktuierende Einspeisung Verwertung dieser Überschüsse in anderen Sektoren (Wärme, Verkehr) P2H-Anlagen gelten als Letztverbraucher und zahlen alle Strompreisbestandteile, d.h. Umsetzung nicht attraktiv

18 perspektivische Anwendungsfälle für P2H Ausblick Verwertung von lokalen und regionalen EE-Überschüssen Marktumfang: Lokal / regional abhängig vom Netzausbau Im Übertragungsnetz umsetzbar und netzentlastend, im Verteilnetz nicht immer netzentlastend und selten verknüpft mit Wärmesenken Verwertung von überregionalem EE-Überschuss Marktumfang: Deutschlandweit abhängig vom Strommarkt, vom Ausbau der Erneuerbaren Energien und Abgaben und Entgelten auf Stromentnahme Herausforderung sind die regulatorischen Rahmenbedingungen 20

19 Verwertung von überregionalen EE-Überschüssen Anlegbarer Wärmepreis 30 /MWh z.b. Erdgaskessel EEX-Preisverlauf (2015) ca h wirtschaftlicher Betrieb zzgl. Stromnetzentgelte 20 /MWh ca. 300 h wirtschaftlicher Betrieb zzgl. Stromsteuer 20,50 /MWh ca. 40 h wirtschaftlicher Betrieb zzgl. EEG-Umlage 61,70 /MWh 1 h wirtschaftlicher Betrieb 19-Umlage 3,78 /MWh Stromsteuer 20,5 /MWh Konzessionsabgabe 1,1 /MWh KWK-Umlage 4,45 /MWh Stromnetzentgelte 25,2 /MWh EEG-Umlage 68,8 /MWh Preis exemplarisch, Stand 2017 Quelle: AGFW 22

20 Überschussstrom - Entstehung Entstehungsmöglichkeiten von Überschussstrom und dessen Auswirkungen 23 Quelle: EuroHeat&Power 43. Jg (2014), Heft 6 / AGFW

21 Verwertung von lokalen und regionalen EE-Überschüssen Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen in 2015 und 2016 (einschließlich Reservekraftwerke) 2015 Redispatch Reservekraftwerke EinsMan Menge Gesamt menge (Erhöhung + Reduzier -ung) GWh Kosten 411,9 Mio. Menge (Erhöhu ng) 551 GWh Kosten für Abruf 65,5 Mio MW Leistung Vorhaltekosten 162,3 Mio. Menge (Reduzier ung) GWh Geschätzte Entschädigungsansprüche Anpassung von Stromeinspeisung/ abnahme 478 Mio. 26,5 GWh GWh 218,8 Mio GWh 78,9 Mio MW 177,4 Mio GWh 373 Mio. 14,4 GWh 24 Quelle: Quartalsbericht zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen Viertes Quartal und Gesamtjahr 2016 der BNetzA

22 Anforderungen an Wärmenetze im Wandel Auswirkungen auf die Wärmenetze mit konventioneller Fernwärme und Erdgas Prognose/These: Die Energiewelt von 2050 kommt weitestgehend ohne Öl, Erdgas und Kohle aus Dekarbonisierung und neue Technologien treiben die Dezentralisierung Folgen für zentrale Wärmeversorgungssysteme: Sie werden nur noch dort fortbestehen, wo sie durch regenerative bzw. CO2-neutrale Quellen wie z.b. Windenergiestrom gespeist werden P2H im Rahmen der Sektorenkopplung Quelle: Roland Berger, Wärmewende in Sicht, S

23 Sektorenkopplung in der Praxis Verbindung der Sektoren Wärme, Strom, Gas und Verkehr Überschuss- bzw. abgeregelter Strom steigt voraussichtlich mit Ausbau EE, aber Umfang/Mengen heute schwer prognostizierbar PtH-Technologie ist erprobt und kurzfristig verfügbar Überschussstrom für Wärmeerzeugung einsetzbar (in multivalentem Erzeugungspark) 27 Quelle: Sterner et al. 2014, Agora Energiewende 2014

24 Ausblick: Sektorenkopplung & Energiewende Die Energiewende ist im Stromsektor am weitesten (gemessen am Anteil erneuerbaren Energien Energiewende & Decarbonisierung im Wärme- und Kraftstoffsektor setzen zunehmend auf Strom (z.b. Wärmepumpen, E-Mobilität, ) Um den zusätzlichen Strombedarf für andere Sektoren zu erzeugen bedarf es zusätzlicher EE-Stromerzeuger und letztlich eines Überangebots an EE- Strom bezogen auf den heutigen Bedarf (ohne Effizienzverbesserungen) Hohe Erzeugungsanteile erneuerbare Energien führen temporär zu hohen Überschüssen, diese können mit P2H genutzt werden Wird Strom eigens für Power-to-Heat erzeugt und in Großwärmepumpen genutzt, entsteht eine tragende Säule für die Wärmeerzeugung. 28

25 Flexibilisierung von KWK- Systemen durch Wärmespeicher und PtH Studie von Prognos hat Residuallast und Fernwärmenachfrage für 2010, 2020 und 2030 in Beziehung zueinander gesetzt, (siehe Grafik rechts) und Anwendungsfälle für KWK markiert: Fall A Erhöhung der Stromproduktion Fall B Abschaltung der KWK-Anlage Fall C Elektrische Beheizung des Wärmespeichers (750 h mit neg. Residuallast) 29 Quelle: Studie Beitrag von Wärmespeichern zur Integration erneuerbarer Energien, prognos (2011)

26 Überschussstrom Potenzial bundesweit Ergebnisse Agora-Studie zu Power-to-Heat: Im Jahr 2023 werden sehr wahrscheinlich bundesweit Stromüberschüsse auftreten, die ohne zusätzliche Flexibilisierung (wie P2H) abgeregelt werden müssen. Die tatsächliche Größe ist schwer abzuschätzen, da eine Vielzahl von Faktoren diese beeinflusst (u.a. Netzausbau, Ausbau EE, und weitere ). Im Extremfall kann aber bundesweit mit bis zu 4 Terawattstunden/Jahr gerechnet werden. (4 TWh entspricht ca. 1,2 Mio. Haushalten (3-4P.)) Quelle: Agora P2H Studie (2014) 30

27 Agenda 1 Einleitung 2 Was ist Power-to-Heat? 3 Aktueller Einsatz von Power-to-Heat in Deutschland 4 Perspektive für den Einsatz von Power-to-Heat im Energiemarkt 5 Mögliche Beiträge für die Hamburger Fernwärmeversorgung 31

28 Wenn P2H in Deutschland, dann in Hamburg! Stand Heute: etwa 6,5 Gigawatt installierte Wind-Leistung in Schleswig- Holstein, insgesamt ca. 8 GW EE-Leistung Perspektivisch ist mit einem weiteren Zubau zu rechnen. Zubau von Netz zu erwarten aber Weiterleitung wird problematisch bleiben! 32

29 Überschussstrom Stand 2016 Einspeisemanagement nach 14, 15 EEG Im Gesamtjahr 2016 wurden bundesweit durch die ÜNB und VNB rund GWh an Ausfallarbeit von EEG- und KWK Anlagen gemeldet Rund 94% davon betreffen Wind Onshore-Anlagen Die gemeldeten geschätzten Entschädigungsansprüche der Anlagenbetreiber belaufen sich für diesen Zeitraum auf rund 373 Mio. Euro Rund 72 Prozent (2.706 GWh) der Ausfallarbeit und rund 73 Prozent (273 Mio. Euro) der gemeldeten geschätzten Entschädigungsansprüche entfallen auf Schleswig- Holstein Quelle: BNetzA, Quartalsbericht zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen Viertes Quartal und Gesamtjahr

30 Fernwärme in Hamburg Der Anteil der Fernwärme am Energiemix der Hamburger Wärmeversorgung beträgt rund 5 TWh (bzw. 20% des Wärmebedarfs) ANTEIL DER FERNWÄRMEVERSORGER HanseWerk Natur 11% Innogy 4% URBANA 2% Sonstige 1% Vattenfall 82% Anteil der Energieversorger am Fernwärmeaufkommen Datenquelle: HIC, BüDrs. 21/

31 Exemplarischer Bedarf an P2H für die Fernwärme Um etwa 1% des Fernwärmebedarfs mit P2H zu erzeugen 5 TWh Bedarf = 100%, d.h. 50 GWh = 1% wird bei 500 Vollbenutzungsstunden / Jahr = 100 MW installierte Leistung benötigt Um etwa 5% des Fernwärmebedarfs mit P2H zu erzeugen 5 TWh Bedarf = 100%, d.h. 250 GWh = 5% wird bei 500 Vollbenutzungsstunden / Jahr = 500 MW installierte Leistung benötigt 35

32 Fazit & Ausblick P2H ist eine ausgereifte Technologie Volkswirtschaftliche ist der Einsatz von P2H sinnvoll die derzeitigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen lassen einen wirtschaftlichen Betrieb kaum zu P2H wird in der Wärmeversorgung perspektivisch eine sinnvolle und auch notwendige Ergänzung zu anderen Technologien darstellen In Systemen mit hohem Grünstrom -Anteil kann P2H eine tragende Säule zur Wärmeversorgung sein, insb. wenn der Strom hierfür erzeugt wird. Hamburg könnte Windstrom aus nördlichen, östlichen und ggf. westlichen Richtungen nutzen Wenn Power-to-Heat, dann in Hamburg! 36

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Arne Jan Hinz Leiter Unternehmensentwicklung T F M arne-jan.hinz@hansewerk-natur.com HanseWerk Natur GmbH Am Radeland Hamburg 38

34 Kommunale P2H-Anlagen in Deutschland Quelle: AGFW

35 Regelenergiemarkt Regelleistung in Deutschland in allen Spannungsebenen 50 Hz Stromabnahme Stromerzeugung Quelle: regelleistung.net Quelle: regelleistung.net