Stromversorgung vor neuen Herausforderungen Sektorkopplung Optionen und Varianten

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1 15. Energieworkshop April 2017 Sektorkopplung: Schlüssel für die erfolgreiche Energiewende? Stromversorgung vor neuen Herausforderungen Sektorkopplung Optionen und Varianten Martin Kaltschmitt, Philip Witte Technische Universität Hamburg (TUHH), Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE)

2 Bruttostromerzeugung in Deutschland 2016 Quelle: BMWi, Berlin; Stand: Februar trugen erneuerbare Energien (EE) mit knapp 30 % zur Bruttostromerzeugung von rund 648 TWh bei. EE-Strom stammt zu rund zwei Dritteln aus Wind und Sonne (PV). 15. Energieworkshop April

3 Inhalt Stand Herausforderungen Lösungsansatz: Sektorkopplung Schlussbetrachtung 15. Energieworkshop April

4 Entwicklung der Bruttostromerzeugung *vorläufige Zahlen, Stand: Dezember 2016 [2] 15. Energieworkshop April

5 ist primär getrieben durch den starken Ausbau von Wind- und PV-Anlagen Signifikanter Ausbau der installierten elektrischen Nennleistung primär bei den angebotsorientierten Stromerzeugungsoptionen. Windleistung wurde seit 2000 um ca. 14 %/a ausgebaut seit 2013 starker Ausbau von Offshore-Wind. PV-Leistung zeigte 2008 bis 2013 einen Zubau von rund 42 %/a. [2] 15. Energieworkshop April

6 Charakteristik von Wind und Sonne... Jahresverlauf Solarstrahlung im Sommer maximal, im Winter gering Mittlere Windgeschwindigkeiten im Winterhalbjahr am höchsten Tagesverlauf Ausgleichseffekte im Jahresverlauf! Solarstrahlung ist relativ deterministisch Sonnenstand ist bekannt und Schwankungen der Bedeckung sind meist langsam und stetig (Böiger) Wind kann innerhalb weniger Stunden stark variieren aber: regionale Ausgleichseffekte 15. Energieworkshop April

7 ... verändert die Reststromnachfrage o Wind- und Solarstrom verändern durch ihre Angebotsabhängigkeit die noch vom konventionellen Kraftwerkspark zu deckenden Nachfrage; dies kann die Fahrweise der konventionellen Kraftwerksparks massiv beeinflussen o Beispiel Peak-Shaving Effekt: Die jahrzeitlich unterschiedlich ausgeprägte Mittagsspitze wird derzeit weitgehend durch PV-Strom gedeckt; die verbleibende Restnachfrage ist dadurch im Tagesverlauf ausgeglichener [3] [3] 15. Energieworkshop April

8 Preisindikatoren für Stromspeicherung Die Solarstromerzeugung trägt zu einer Reduzierung des Spread zwischen Baseload und Peakload bei. Auch Windstrom hat bisher nicht zu einer signifikanten Zunahme der Fluktuationen der vom konventionellen Kraftwerkspark zu deckenden Last geführt. Insgesamt ist damit bisher (nahezu) das Gegenteil der ursprünglich erwarteten Entwicklung eingetreten. 15. Energieworkshop April

9 Zielkorridore 2025/2035 Die derzeit gültigen Zielkorridore der Bundesregierung für 2025 und 35 erfordern weiterhin einen starken Ausbau der Stromerzeugung aus regenerativen Energien. Dieses Wachstum wird aus Kosten- und Potenzialgründen primär durch eine stärkere Nutzung von Wind (Onshore und Offshore) und PV und damit durch angebotsorientierte Erzeugungsoptionen realisiert werden (müssen). 15. Energieworkshop April [5]

10 Herausforderungen: Residuallast Woche Sommerwoche Maximale Residuallast sinkt weniger deutlich! Zubau an Wind-Leistung führt insbesondere Zubau im an Herbst PV-Leistung und Winter führt zu im langen Sommer Phasen in sehr der geringer Mittagszeit zu (negativer) negativer Residuallast! Residuallast! [6] Winterwoche [6] 15. Energieworkshop April

11 Herausforderungen: Überreg. Unterschiede Solarstrahlungsangebot Windgeschwindigkeitsangebot Regionale Verteilung der installierten Nennleistung erneuerbarer Energien (2014) Im Norden sind die mittleren Windgeschwindigkeiten deutlich höher als im Süden; der Süden zeigt merklich höhere durchschnittliche Solarstrahlungen als der Norden. Der weitere Ausbau der Wind- und Solarstromerzeugung dürfte sich an diesem Dargebot orientieren; d. h. zunehmende regionale Leistungsunterschiede (in Abhängigkeit von Jahres- und Tageszeit). 15. Energieworkshop April

12 Herausforderungen: Dezentralisierung Entwicklung des Stromversorgungssystems in Deutschland ein starker Zuwachs an dezentraler Erzeugung ist deutlich erkennbar! Wind Photovoltaik Biomasse ca Anlagen ca Anlagen ca. 1.5 Mio. Anlagen Quelle: 50 Hertz 15. Energieworkshop April

13 Lösungsansätze: Betrachtung des Gesamtsystems Stromversorgungssystem Angebot Stromnetz Nachfrage Systemische Maßnahmen, durch die das Stromversorgungssystem auf die fluktuierende Erzeugungscharakteristik der erneuerbaren Energien besser reagieren kann Kopplung Andere Energiesysteme (Gas, Wärme/Kälte, Mobilität) 15. Energieworkshop April

14 Sektorkopplung es sind viele unterschiedliche Optionen verfügbar Fokus der Folgeseiten Power-to-Mobility: Elektroautos Power-to-Heat: Wärmepumpen [7] [8] Power-to-Hydrogen: Brennstoffzellen-Fahrzeuge Power-to-Gas: Heizpatronen und viele weitere Optionen! 15. Energieworkshop April [9]

15 Sektorkopplung Beispiel: Heizpatronen zur Integration regenerativer Energie Nachfrage Wärmespeicher im privaten und gewerblichen Bereich Gas-Brennwerttherme Der Wärmemarkt bietet ein enormes Potenzial zur Flexibilisierung des Strommarkts bzw. zur Integration großer Mengen regenerativer Energie Heizpatronen in konventionellen Öl-/Gas-Heizsystemen bieten über Substitutionseffekte ein erhöhtes CO 2 -Einsparpotenzial Erdgas Wirkungsgrad > 60 % Speicherkapazitäten > 100 TWh/a 15. Energieworkshop April

16 Sektorkopplung Beispiel: Steuerung von Wärmepumpen zur Integration der EE Simulation von 100 Haushalten für Haushalte mit Wärmepumpen Simulationsergebnis Referenzszenario : Verlauf der Gesamtlast für bis Steuerung mittels Heizkurve vs. optimierte Steuerung Keine Abstimmung zwischen Last und Erzeugung 15. Energieworkshop April

17 Sektorkopplung Beispiel: Steuerung von Wärmepumpen zur Integration der EE Simulation von 100 Haushalten für Haushalte mit Wärmepumpen Simulationsergebnis Optimierte Steuerung : Verlauf der Gesamtlast für bis Steuerung mittels Heizkurve vs. optimierte Steuerung Optimierte Integration EE durch intelligente Sektorkopplung 15. Energieworkshop April

18 Sektorkopplung Beispiel: Steuerung von Wärmepumpen zur Integration der EE Simulation von 100 Haushalten für Haushalte mit Wärmepumpen Steuerung mittels Heizkurve vs. optimierte Steuerung Simulationsergebnis Raumtemperatur: Verlauf der Innentemperatur für bis Wärmepumpen bieten ein hohes Lastverschiebepotenzial, welches durch intelligente Steuerung genutzt werden kann, um z. B. die Integration von EE-Strom (hier Windenergie) zu maximieren Eine intelligente Sektorkopplung erhöht zugleich den Anteil erneuerbarer Energien im Wärmemarkt und trägt dort zum Klimaschutz bei Nutzung des Hauses als Wärmespeicher 15. Energieworkshop April

19 Fazit: Sektorkopplung bietet ein hohes Flexibilitätspotenzial Die Kopplung des Stromversorgungssystems mit anderen Energiesystemen bietet die Möglichkeit, Synergieeffekte zwischen den verschiedenen Teil(energie)märkten zu nutzen, die bisher brach liegen. Dies gilt für den Wärme- und den Mobilitätsmarkt und hier für praktisch alle Nachfragesektoren (d. h. Haushalte, GHD, Industrie). o Der Wärmemarkt kann in weiten Teilen mit vorhandener Technologie heute schon an den Strommarkt gekoppelt werden; dazu fehlt eine Weiterentwicklung und Umsetzung entsprechender Konzepte. o Große Teile des Mobilitätssektor können erst mit weiterentwickelter Technik signifikante Beiträge leisten (die Bahn fährt heute schon mit "grünem" Strom); diese Entwicklung ist aber global angestoßen. Auch fehlt ein entsprechender gesetzlicher Ordnungsrahmen, der es ermöglicht, eine Sektorkopplung ökonomisch darstellbar zu gestalten. Letztlich müssen derartige Maßnahmen, Konzepte und Optionen getestet werden, damit ihre Wirksamkeit unter realen Bedingungen demonstriert werden kann; dies ist angestoßen (u. a. NEW 4.0). 15. Energieworkshop April

20 Stromversorgung vor neuen Herausforderungen Sektorkopplung Optionen und Varianten Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) Technische Universität Hamburg (TUHH) Eißendorfer Str. 40; D Hamburg; Tel. / Fax: / 2315 Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt 15. Energieworkshop April

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