EINORDNUNG DES WÄRME- MARKTES IN DAS GESAMTSYSTEM

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1 Norman Gerhardt, Fraunhofer IWES Patrick Schumacher, Fraunhofer IBP EINORDNUNG DES WÄRME- MARKTES IN DAS GESAMTSYSTEM 1

2 Energiesystemmodellierung am Fraunhofer IWES Sektorübergreifende Zubauund Einsatzoptimierung - Minimierung Vollkosten - Anlageneinsatzoptimierung Strommarkt (inkl. Schnittstellen zu Wärme u. Verkehr - Minimierung variabler Betriebskosten - Europa/Deutschland Europa Deutschland LP Strom, Wärme, Verkehr CO 2 -Markt Wärmemarkt 1 Zieljahr inkl. Bestandsanlagen P inst [GW] Netze... CO 2 - Preis [ /t] LP Austauschkapazitäten zwischen Ländern Intern. Speicherwasser (saisonaler Speicher) Import/ Export Speicherfüllstand GGLP rollierende Planung Regelleistung Regionen- Netzmodell Prognosefehler Optimaler Technologie-mix (inst. Leistungen, NTC) Energiemengengerüst (stündlicher Einsatz) CO 2 -Preis EU-Kraftwerkseinsatz (VLS,Emissionen,..) Exporte/Importe Europaweite Ausgleichseffekte KW-Einsatz (VLS, Teillast, Start/Stopps,...) RL-Bereitstellung Netzengpässe Strompreise 876 h/a Modellierung sektorübergreifende Flexibilität in allen Modellen 2

3 Energiesystemmodellierung am Fraunhofer IWES Eingangsgrößen Ergebnisse Brennstoffkosten Technologiekosten Potenziale/ Restriktionen Zeitreihen für Energiebedarfe (Strom, Wärme, Verkehr) Europa und/oder DE Kostenminimierung unter Einhaltung von Klimazielen Optimale Strommix Optimaler Wärmemix Energiemengengerüst und installierte Leistung CO 2 -Preis Märkte: Strommarkt Wärmemärkte (unt. Haustypen und Temperaturen Gasmarkt Mobilitätsprofile CO 2 -Markt Technologieportfolio: Windkraft, PV Stromspeicher Power-to-Gas BEV PHEV/REEV Laufwasser KWK Klimatisierung Kessel Oberleitungs-LKW Kondensations-KW Power-to-Heat Wärmepumpen 3

4 Einordnung des Verkehrssektors in das Gesamtsystem THG-Ziele und ihre Konsequenzen Ein THG-Minderungsziel von -8% bis 25 für Europa fordert für Deutschland eine Einsparung um ca. -83% Berücksichtigung Emissionen - außerhalb des Energiesektors und - internationaler Verkehrsanteils (Steigerung Flugaufkommen, nicht elektrifizierbar) geringe zulässige Emissionen für Energie Begrenzte Biomasse 2 Mio. ha NaWaRo -3% gegenüber Kyoto EE-Strom (Wind, PV) als zukünftiger Primärenergieträger Effizienzsteigerung durch neue Stromverbraucher wie E-Mobilität oder Wärmepumpen 4

5 Das kostenoptimale Szenario 25 im europäischen Kontext Erzeugung / Verbrauch [TWh] EE-Abregelung Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in Netto-Import 25 AUT BEL CHE CZE DEU DNK ESP FIN FRA GBR HUN ITA LUX IRL NLD NOR POL PRT SVK SVN SWE Müll-HWK, Klärgas GT Biomasse Wasser GuD Wind KWK PV Geothermie Geothermie Kohle Wasserkraft Gas Wind-OffshoreUran Wind-Onshore PV Netzverluste Netto-Export Speicherverluste Oberleitungs-Lkw 994 TWh E-Pkw Klimatisierung 99 TWh Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Power-to-Gas Herkömml. 1 Verbrauch Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) 5

6 Das Basisszenario für Deutschland Strombilanz 25 Steigerung Nettostromverbrauch von heute 557 TWh auf 793 TWh in TWh Erzeugung aus Wind und PV EE-Abregelung Müll-HWK, Klärgas GT GuD KWK Netto-Import Erzeugung / Verbrauch [TWh] Netzverluste Speicherverluste Oberleitungs-Lkw E-Pkw Steigerung Strom im Wärmemarkt von 7 TWh auf 254 TWh Klimatisierung Laufwasser 2 Wärmepumpen Wind-Offshore Wind-Onshore 1 Power-to-Heat / Industrie-WP Power-to-Gas PV Erzeugung Verbraucher Herkömml. Verbrauch Durch einen hohen Anteil an Wärmepumpen (Effizienz) kann der notwendige EE- Anteil noch im Rahmen gehalten werden mehr Spielraum für KWK Begrenzung der notwendigen EE-Leistung Flächenakzeptanz und Erreichbarkeit Ausbauziele 6

7 Technologische Durchdringung des Wärmemarktes Haushalte und Gewerbe Industrie Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % EFH bis 1979 EFH EFH MFH GHD EFH Neubau, KfW 55 Standard bis 25 MFH bis 1979 MFH MFH Büroähnliche Betriebe Handel, Textil, Bekleidung, Spedition Beherbergung, Gaststätten, Heime Krankenhäuser, Schulen, Bäder Gaswärmepumpe* Brennstoffzelle* BHKW* Brennwertkessel* Brennwertkessel* + Solarthermie FW-KWK~ + Groß-WP FW-KWK*~ + Solarthermie FW-KWK*~ WP-Luft WP-Sole Müll-HKW Holzheizung Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Industrie < 1 C Industrie (inkl. GHD-PW) Industrie < 5 C Industrie > 5 C Strom Monovalent Gas Monovalent Bio-Gas/-SNG Monovalent Heizkessel* Heizkessel* + Solarthermie KWK~ + Groß-WP KWK*~ + Solarthermie KWK*~ Groß-WP WP + Solarthermie Reststoffe-HKW Wärmebedarf [TWh] Raumwärme Warmwasser * PtH ~ Spitzenlastkessel Wärmebedarf [TWh] Raumwärme Prozesswärme * PtH ~ Spitzenlastkessel Gebäudetypologie, Industrieanwendungen Hohe Bedeutung von Wärmepumpen und KWK-Systemen 7

8 Schlussfolgerungen Hohe Bedeutung von Wärmepumpen insbesondere Sonden-/Sole-WP Luft-Wärmepumpen sind ab einer JAZ von ca. 2,2 wirtschaftlich Gas-WP setzen sich im Modell nicht durch, da sie im ineffizienten Haus (niedrige HZ) mit Gas-Brennwert konkurrieren effizienten Haus (hohe HZ) mit Wärmepumpen (hohe JAZ) konkurrieren Mini-BHKW ( Schwarm-BHKW + PtH + Speicher ohne Gaskessel ) setzen sich im Modell im GHD-Bereich durch, da Fernwärme und el. WP hier ein begrenztes Potenzial aufweisen. Mini-KWK ist hier zudem wirtschaftlicher als Fernwärme-KWK + PtH Holzheizungen sind ein wichtiges Potenzial für ineffiziente Gebäude Fernwärme/Nahwärme: 1. Prio. Kombination mit Groß-Wärmepumpen 2. Prio. Kombination mit Großflächen-Solarthermie + PtH 8

9 Flexibilität von Angebot und Nachfrageleistung einer hohen fluktuierenden Erzeugungsleistung steht ein flexibler Stromverbrauch gegenüber Wind und PV können effizient ins System integriert werden 9

10 Flexibilität von hybriden Heizsystemen Beispielprofil Fern-/Nahwärme-KWK 25 Stündlich aufgelöster Einsatz der Wärmetechnologien Optimierte Einsatzplanung der Flexibilitätsoptionen entsprechend der EE-Einspeisesituation Optimierung der Marktdurchdringung und Anlagenauslegung verschiedener Technologiekombinationen Berücksichtigung von thermischen Speichern, etc 1

11 Beispielwochen 25 - Angebots- und Nachfragecharakteristik Konventionelle Erzeugung GW Erneuerbare Erzeugung Erzeugung und Strombedarf in Deutschland 25 - Meteo-Jahr 26, 15./16. Kalenderwoche Last Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Wochentag Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Batteriespeicher Gas GuD/GT BHKW Gas - KWK Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH PtG Abregelung Neue flexible Verbraucher tragen wesentlich dazu bei, die hohen auftretenden Leistungen durch Wind- und PV effizient zu verwerten Rolle Import-Export Kostengünstige Energieversorgung bei wenig EE-Abregelung 11

12 Spez. Strombezugs und Erzeugungskosten Simulationsendogene Strombezugskosten/-erlöse Stromgestehungskosten im Mittel von 6,5 ct/kwh für PV und 7 ct/kwh für Wind- Onshore Flexible Verbraucher können zu günstigen Zeitpunkten Strom beziehen Flexible Erzeuger können zu knappen Zeitpunkten Strom einspeisen 12

13 Wirkung der Dämmszenarien auf den Strommarkt Dämmstandard I Dämmstandard II Erzeugung/Verbrauch [TWh] Durch höhere Sanierung kann neben den Einsparungen beim Wärmebedarf auch durch höheren JAZ bei WP die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden Durch Dämmung wird der Gesamtstrombedarf reduziert EE-Ausbaubedarf 13

14 Bandbreiten - Technologische Durchdringung des Wärmemarktes niedriger Dämmstandard I höherer Dämmstandard II Bei höherer Sanierung wirkt sind das begrenzte Biomassepotenzial stärker im Bereich der inneffizienten Gebäude aus Der geringere Wärmebedarf gibt dem System einen CO 2 -Puffer. Deswegen ändert sich die WP-Durchdringung trotz höherer JAZ nur geringfügig 14

15 Einfluss Dämmung auf Endenergie-Wärme niedriger höherer Dämmstandard I Dämmstandard II Industrie Durch Dämmung geringerer Stromverbrauch aus dem Wärmesektor HH + GHD (höhere JAZ) Nur geringfügig geringerer Gasbedarf Keine Rückwirkung auf Industrie 15

16 Ökonomischer Vergleich der Dämmszenarien Zusätzliche Dämmkosten zwischen den beiden Szenarien (gleiche Sanierungsquote, nur Dämmtiefe, keine Sowieso -Kosten): 7,8 Mrd. /a Einsparungen durch Dämmung in der Energieversorgung: 16,3 Mrd. /a Hoher Dämmstandard mit niedrigeren Systemgesamtkosten Trotz hohem Dämmstandard hoher Strombedarf im System -> Weitere Reduktion des Strombedarfs durch hocheffiziente Technologien notwendig Bei Einbeziehung (inkl. Kosten der Flächenheizung = Komfort) - gleichhoch wie die annuitätischen Mehrkosten 16

17 Entwicklung des Stromsektors: Heute Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 225 Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 235 Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 25 Biomasse Wasser Wind PV Geothermie Kohle Gas Uran 994 TWh 99 TWh Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) Zusätzliche Simulation der Stützjahre 225 und 235 Verfügbarkeit von EE-Überschussstrom? Flexibilitätsanforderungen? 17

18 Beispielwochen 225: Angebots- und Nachfragecharakteristik Erzeugung und Strombedarf in Deutschland Meteo-Jahr 211, 5./6. Kalenderwoche GW Last Erneuerbare Erzeugung Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore flexible Biomasse Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Konventionelle Erzeugung Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Wochentag Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Öl Gas GuD/GT Steinkohle BHKW Gas - KWK Steinkohle - KWK Braunkohle E-Mobilität PSW-Pumpe PtH Abregelung EE-Integration vor allem durch Nettostromexport und europäischen Ausgleich 18

19 Beispielwochen 235: Angebots- und Nachfragecharakteristik Erneuerbare Erzeugung GW Konventionelle Erzeugung Erzeugung und Strombedarf in Deutschland Meteo-Jahr 211, 5./6. Kalenderwoche Last Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Wochentag Weitere Zunahme des Nettostromexports Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore flexible Biomasse Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Batteriespeicher Öl Gas GuD/GT Steinkohle BHKW Gas - KWK Steinkohle - KWK Braunkohle Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH Bedeutung neuer Stromverbraucher E-Mobilität, Wärmepumpen / Anfänge PtH 19

20 Entwicklung Gesamtsystem Endenergieverbrauch [TWh] 534 TWh Phase 1: Ausbau EE 1 Phase 2: Ausbau Infrastruktur Nutzung von PtH für Systemdienstleistungen Phase 3: Verstärkte Interaktion 787 TWh Wärme + Kälte Konventionell Wärme + Kälte Strombasiert Stromverbrauch PtG Stromverbrauch konventionell Verkehr konventionell Verkehr Strombasiert 2. Verstärkter Ausbau der erneuerbaren Energien um hohen EE-Anteil im Stromsektor zu erreichen 1% 8% 6% 4% 2% % Kontinuierlicher Ausbau von Wärmepumpen und Anreizprogramme zur Erreichung einer hohen Marktdurchdringung 4. Neue Kraftwerke zur Gewährleistung Versorgungssicherheit mit Fokus auf KWK 5. Stromerzeugung für Wärmesektor und zur Überschussverwertung durch PtH EE-Anteil 2