Energiesystem Deutschland 2050 Sektorübergreifende Optimierung in stündlicher Auflösung

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1 Energiesystem Deutschland 25 Sektorübergreifende Optimierung in stündlicher Auflösung Andreas Palzer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE GENESYS-Workshop Frankfurt

2 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

3 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

4 Energiewende Deutschland nationaler Konsens Ziele der deutschen Bundesregierung für 25 Insgesamt Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8 bis 95 % (bezogen auf 199) Halbierung des Primärenergieverbrauchs (bezogen auf 28) Anteil erneuerbarer Energien von 6 % am Endenergieverbrauch Strom Reduktion Verbrauch um 25 % (bezogen auf 28) Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch 8 % Gebäudesektor Nahezu klimaneutraler Gebäudesektor Reduktion Primärenergie um 8 %

5 (Soll-) Entwicklung Treibhausgas-Emissionen Deutschland Quelle: eigene Darstellung nach Daten des UBA vom

6 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

7 Leitfragen unserer Untersuchung Ist es möglich, den Energiebedarf Deutschlands überwiegend oder vollständig mit erneuerbaren Energien zu decken? Falls ja: wie sehen kostenoptimale, konsistente Systeme aus? Langfrist-Perspektive, volkswirtschaftliche Betrachtung,»Helikopterblick«

8 Modellierung 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 Der Versuch eines Blicks in die Zukunft mögliche Struktur eines Energiesystems mit dominantem Anteil erneuerbarer Energien Regenerative Energien Modell Deutschland REMod-D 13 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 Gasturbine 1 GW 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 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 GuD-KW 3 GW 3 Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

9 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 Modell-Ansatz Optimierung Energiesystem im eingeschwungenen Zustand Exogene Vorgaben CO 2 -Emissionen verfügbare Menge fossiler Energieträger Strombedarf (ohne Strom für MIV und Wärme) Optimierer Optimierung Strom-Wärme- System (Minimierung jährliche Gesamtkosten) Ergebnisse Installierte Leistung aller Komponenten Größe Speicher Prozesswärmebedarf Industrieprozesse erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Umfang energetische Sanierung Gebäude Energiebedarf Verkehr Verfügbare Biomasse 335 Wärmeversorgungstechniken Gebäudesektor (Wärmenetze, dezentral) Leistung konv. KW

10 spez. Mehrkosten für energetische Sanierung, /m² Mehrkosten energetischer Sanierungsmaßnahmen Heutige Kosten und mögliche Reduktionen Kostenannahmen basierend auf verschiedenen Studien (Dena, Kenkmann, Schulze- Darup) Abgleich mit Ergebnissen aus Modell Invert (TU Wien) Untersuchte Szenarien mit reduzierten Mehrkosten -25% -5% 35 Werte Invert 3 heutige Kosten 25-25% -5% % 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 1% Raumwärmebedarf (1 % entspricht dem Wert in 21)

11 Jahres arbeits zahl Modellannahmen für Wärmepumpen JAZ in Abhängigkeit der Anzahl der mit WP versorgten Gebäude Berücksichtigung von Heizungsvorlauftemperaturen des tatsächlichen Gebäudebestands Werte erzeugt mit Modell Invert (TU Wien) Gas-WP, Invert Luft-WP, Invert Sole-WP, Invert Gas-WP, Modell Luft-WP, Modell Sole-WP, Modell % 2% 4% 6% 8% 1% Anteil der mit Wärmepumpen versorgten Gebäude

12 Reihenfolge des Einsatzes Betriebsführung im Gesamtsystem Negative Residuallast Positive Residuallast Ladung Batteriespeicher Entladung Batteriespeicher Ladung von Pumpspeicher- Kraftwerken Entladung von Pumpspeicher- Kraftwerken Erzeugung von Wasserstoff Laden von Wärmespeichern mit Wärmepumpen (Stromexport) Laden von Wärmespeichern mit Heizstäben Betrieb von Anlagen der Kraftwärmekopplung (effizienteste zuerst) Erhöhung der Stromerzeugung mit konventionellen Kraftwerken (soweit möglich) ( Stromimport ) Abregelung (nicht nutzbare Überschüsse) Betrieb von schnell regelbaren Reservekraftwerken (Erdgas)

13 Wichtigste Randbedingungen / Annahmen für Zieljahr 25 Nachhaltiges Biomassepotenzial 3 p.a. Mobilität: Fahrleistung (Traktionsenergie) gleichbleibend (211) 3 % Batterie-basiert (Kurzstrecken individual, urban) 3 % Wasserstoff / Brennstoffzelle (Langstrecken individual, öffentlicher Nahverkehr urban) 4 % Brennstoffe (vor allem Schwerlast und Luftfahrt) Stromverbrauch (ohne Strom für Wärme und motorisierten Individualverkehr) um 25 % reduziert: 5 /a 375 /a Gleichbleibender Brennstoffbedarf für Gewerbe- und Industrieprozesse (entspricht Entwicklung der vergangenen 2 Jahre)

14 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

15 Wärme Dezentral erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Zentral 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 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel Biomasse 82 H2-Speicher Treibstoff 22 Verkehr Solarthermie Sabatier Methan-Sp.. GWgas dezentral 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 23 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 Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Wärmepumpe Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in Netzgebundene Wärme 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude 22 Einzelgebäude th mit (el., Sole-Wärmepumpe Sole) 42 Solarthermie 25 6 GW el installierte 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 19 GW th (elektr., 4 Luft) Leistung 6 KWK Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 15 GW 19 GWth th (Gas) 15 GW 87 GWh 14 GWth 56 GWh th zentrale Wärmepumpen Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth Solarthermie zentral 4 GW th Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

16 Ergebnisse Speicher 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 Batteriespeicher (3 kwh) Elektrolyse Anzahl ca. 833Mio GWel Einheiten Gesamtkapazität Biomasse GWh äquiv. Voll-Zyklen H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas 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 Pumpspeicherkraftwerke Anzahl 7 42 Einheiten Gesamtkapazität 6 GWh äquiv. Voll-Zyklen Elektrolyseure 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 23 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 Brennstoffe 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 Zentrale Wärmespeicher (5. m³) Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt Gesamtkapazität 346 GWh 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh äquiv. Voll-Zyklen 14 - Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Gesamtleistung 33 GW el Volllaststunden 2485 h nur für Verkehr benötigt, nicht für Strom- Wärme Dezentrale Wärmespeicher (8 Liter) Anzahl ca. 7 Mio Einheiten Gesamtkapazität 319 GWh äquiv. Voll-Zyklen Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Anzahl ca. 15 Einheiten Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

17 Energiebilanzen Zusammensetzung der Brutto-Stromerzeugung Typ % Technik % PV % Fluktuierende Erneuerbare Energien Kraft-Wärme- Kopplung Konventionelle Kraftwerke % % % Zusammensetzung des Netto-Stromverbrauchs Wind Onshore % Wind Offshore % Wasserkraft % Klein-BHKW % KWK, groß % KWK, mittel % Steinkohle % Braunkohle % GuD 3.4.5% % Technik % Klassische Last % Beleuchtung, mech. Energien usw % Wärme % Verkehr % Elektrische Wärmepumpen % Heizstäbe % Wasserstofferzeugung % Fahrzeugbatterien %

18 Verlauf Residuallast 25 Größe Minimum (GW) Maximum (GW) Strom aus nicht regelbaren FEE* 3 22 Last Residuallast * FEE = fluktuierende erneuerbare Energien

19 Abbau negativer Residuallast Nutzung von Stromüberschüssen in verschiedenen Verbrauchssektoren

20 Ausgewählte Tagesprofile

21 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

22 Leistung FEE bei zunehmender CO 2 -Reduktion Exponentieller Anstieg der installierten Leistung FEE ab ca. 83% installierte Leistung FEE, GW el % 81% 82% 83% 84% 85% installierte Leistung, GW el Reduktion der CO 2 -Emissionen bezogen auf 199 Photovoltaik Wind onshore Wind offshore Elektrolyse Sabatier

23 Heizungstechnologien bei zunehmender CO 2 -Reduktion Massiver Ausbau elektr. Wärmepumpen ab ca. 83% installierte Leistung, GW th % 81% 82% 83% 84% 85% installierte Leistung, GW el Reduktion der CO 2 -Emissionen bezogen auf 199 BHKW BWK GasWP SoleWPel LuftWPel Solarthermie KWK-Netze

24 Milliarden /a Gesamtkosten Verschiebung der optimalen Sanierungstiefe in Abhängigkeit der CO 2 -Reduktionsziele % 3% 4% 5% 6% 7% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 2% 3% 4% 5% 6% 7% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 1% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 1% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 75% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 75% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 5% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 5%

25 Installierte Leistung Wind/PV, GW Instal. Leistung Elektrolyse/Sabitier, GW Weitere Reduktion der CO 2 -Emissionen Vollständiger Systemwandel erforderlich 5 1 Photovoltaik Wind onshore Wind offshore Elektrolyse Sabatier Anteil Fossile Verkehr Energiereduktion Industrie auf Energiereduktion Heizwärme auf CO 2 -Reduktion total um 4% 4% 2% 2% 1% 7% 7% 7% 4% 3% 3% 3% 81% 88% 9% 91%

26 Inhaltsübersicht Klimaschutz eine globale Herausforderung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Zusammenfassung und Ausblick

27 Zusammenfassung Reduktion Energie-bedingter CO 2 -Emissionen um 8 % und darüber möglich und mittel- und langfristig mit vergleichbaren Kosten Zentrale Pfeiler sind Verbrauchsreduktion (Strom, Raumwärme), effiziente Wandlungsketten (Wärme, Verkehr) und erneuerbare Energien Fluktuierende erneuerbare Energien (FEE) werden Rückgrat der Stromversorgung und dominieren das System Flexibilisierung von Erzeugung und Nutzung in allen Verbrauchssektoren notwendig, um die erforderliche große Menge an installierter Leistung von FEE zu ermöglichen Systemumbruch oberhalb von 8 % Reduktion an Energie-bedingten CO 2 - Emissionen: fossile und biogene Brennstoffe reichen nicht mehr aus, um Bedarf von Industrie, Verkehr und Strom/Wärme zu decken synthetische Brennstoffe aus FEE werden notwendig, Wärmeversorgung kippt in Richtung elektrischer Wärmepumpen ( Back-Stop-Technologie )

28 Ausblick Weitere Differenzierung im Bereich von Brennstoffen (Wandlungseffizienz, Kosten) und der Nutzung im Verkehrssektor Adaption zur Beschreibung der Transformation Einpflegen von Lernkurven für alle relevanten Technologien Einpflegen von Diffusionsraten für neue Technologien (Austauschraten von Altanlagen; Ausbaugeschwindigkeit für Neuanlagen) Modellierung von Transformationspfaden Ermittlung von Kosten für die Volkswirtschaft bis zur erfolgten Umstellung des Gesamtsystems

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Andreas Palzer