Smart Grids Intelligente Stromnetze

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1 Leibniz Forschungsinitiative Energie 2050, 3. Ringvorlesung Sommersemester 2013 Transformation des Energiesystems, 12. Juni 2013 Smart Grids Intelligente Stromnetze Michael H. Breitner Institut für Wirtschaftsinformatik, Leibniz Universität Hannover Vorstand der Leibniz Forschungsinitiative Energie Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

2 Ihr Amuse Gueule 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

3 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 1. EE-Primärenergie kann in Deutschland primär nur aus Sonne und Wind gewonnen werden (größtenteils Strom): Biokraft- und Brennstoffe scheitern am Flächenbedarf (ggf. Import aus Osteuropa und Entwicklungsländern) Luft- und Erdwärme ist nur im Kleinen nutzbar Wasserkraft (Regen, Meere) ist wenig verfügbar Sehr effiziente/wirtschaftliche Solarthermie wird unterschätzt 2. EE dürfen nicht nur zur Stromerzeugung, sondern müssen auch für Mobilität, Wärme/Kälte und Kraft eingesetzt werden (Unternehmen, Organisationen und Privathaushalte) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

4 Transformation des Energiesystems Geringerer Energieverbrauch Transformation des Energiesystems Bessere Energieeffizienz Energieeinsparung: Gebäude (Klima/Warmwasser) Verkehr (Straße/Luft/Schiene/Wasser) Produktion (Kraft/Wärme/Kälte) Licht Ersatz fossiler durch erneuerbare Energieträger Mehr Nutzenergie aus Primärenergieträger : Fossile Energieträger Erneuerbare Energieträger Umwandlung in erneuerbare Energieträger: Sonnenwärme und Sonnenstrom Erd- und Luftwärme Windkraft und Windstrom Wasserkraft und Wasserstrom Biomasse -> Methan, Alkohol, Öle usw. Speicherung und Transport erneuerbarer Energieträger: Batterien (Strom, chem.) Biotanks (Gas und Flüssigkeiten, chem.) Stauseen und Druck (potent. Energie) Erdgasnetz und Kavernen (chem.) Wärme- und Kältespeicher (physik.) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

5 Transformation des Energiesystems Ziele der Transformation des Energiesystems: Reduktion des Verbrauchs fossiler, nicht erneuerbarer Energieträger (Öl, Gas, Kohle, Uran) Reduktion der Treibhausgasemissionen (CO 2, Methan usw.) Begrenzung der Energiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus ca. 5% p.a.) Reduktion der Energieimporte Deutschlands Randbedingungen: Energieversorgungssicherheit jederzeit und überall 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

6 Transformation des Energiesystems Ziele der Transformation des Energiesystems: Begrenzung der Energiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus 5% p.a.) Reduktion der Energieimporte Deutschlands 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

7 Transformation des Energiesystems Ziele der Transformation des Energiesystems: Begrenzung der Energiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus 5% p.a.) Reduktion der Energieimporte Deutschlands Importierte (Primär)Energie: Ca. 80 Milliarden p.a. Öl (45%) mit 20% aus Russland 8% aus Groß-Britannien 4% jeweils aus Norwegen, Kasachstan and Nigeria Erdgas (40%) mit 16% aus Russland 12% jeweils aus Norwegen und den Niederlanden Kohle (15%) mit 5% jeweils aus Kolumbien, den USA und aus Polen Kosten (Nutz)energie: Ca. 260 Milliarden p.a. mit 31% Kraftstoffe fossil 27% Elektrizität 23% Erdgas (exkl. Elektrizität) 11% Heizöl 4% Fernwärme 4% Kohle (exkl. Elektrizität) aufgewendet für 31% Mobilität 27% Gebäudeklima/Warmwasser 23% Industrieprozesse 19% Kraft und Licht Energiesteuern und -abgaben: Ca. 70 Milliarden p.a. (27%) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

8 Transformation des Energiesystems 10% EE in D 2500 TWh/a Gebäudeklimatisierung und Warmwassererzeugung mit fossilen, endlichen Energien, z.b. Öl, Gas, Kohle, Nuklearbrennstoffen > 80% EE in D 1500 TWh/a Fossile Energie ist überall und Erneuerbare Energie wird (teils) volatil jederzeit einfach und erzeugt und muss gespeichert, umgewandelt preiswert verfügbar und transportiert werden (Zusatzkosten) Transformation 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de) Erneuerbare Energieerzeugung durch zentrale Photovoltaik, dezentrale Photovoltaik, zentrale Solarthermie, dezentrale Solarthermie, Onshore Windkraft, Offshore Windkraft, Biogasanlagen, zentrale Geothermie, dezentrale Geothermie, Wärme/Kälte-Pumpen, Wasserkraft und Kernfusion

9 Energieerzeugung und -verbrauch in D Energieverbrauch in D ca TWh/a (2013): Ca TWh/a Wärme Ca. 700 TWh/a Verkehr Ca. 600 TWh/a Strom Import fossiler Energie 55 Mrd. Euro/a (2013): 100% Uran, Strom 98% Erdöl, 85% Erdgas und 72% Steinkohle -> EE Import Einsparung 9 Mrd. Euro/a (2013) EE Anteil ca. 300 TWh/a (Strom 18%, Wärme 9%, Verkehr 6%, insges. ca. 12%) gesamt Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

10 Energieerzeugung und -verbrauch in D EE Beschäftigte: 2013 ca (30% Windenergie, 35% Bioenergie, 30% Solarenergie) 2020 geschätzt ca bis Investitionen (2013): in konventionelle Strom- und Gasversorgung ca. 15 Mrd. Euro/a in EE ca. ca. 15 Mrd. Euro/a (2020 dann geschätzt ca. 30 Mrd. Euro/a) lt. nationaler Aktionsplan für EE (NAP, 2010) über 30 Mrd. Euro gesamt in zusätzlich 10 GW Offshore-Windenergie (OW) Installation bis 2020 (Vermeidung von 40 Mill. t CO 2 p.a. = 5% für 2010) Finanzierung eines riskanten OW-Park Projekts i.d.r. 2 3 Mrd. Euro Deutsche Energieagentur (dena, 2010): bis 2020 werden km neue Stromleitungen benötigt bis 2025 zusätzlich Anpassung von ca km Netz und von ca Umspannstationen und Trafos Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

11 Intelligente Stromnetze als Teil der Transformation des Energiesystems Intelligente Stromnetze Intelligente Stromnetze Intelligente Stromnetze Intelligente Stromnetze 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

12 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 1. EE-Primärenergie kann in Deutschland primär nur aus Sonne und Wind gewonnen werden (größtenteils Strom): Biokraft- und Brennstoffe scheitern am Flächenbedarf (ggf. Import aus Osteuropa und Entwicklungsländern) Luft- und Erdwärme ist nur im Kleinen nutzbar Wasserkraft (Regen, Meere) ist wenig verfügbar Sehr effiziente/wirtschaftliche Solarthermie wird unterschätzt 2. EE dürfen nicht nur zur Stromerzeugung, sondern müssen auch für Mobilität, Wärme/Kälte und Kraft eingesetzt werden (Unternehmen, Organisationen und Privathaushalte) 3. Heutige Infrastruktur (Strom-/Gasnetz) muss genutzt und weiterentwickelt werden ( Re-Powering ) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

13 Stromnetze in D ( Gegenverkehr ) Prosumer Prosumer Einbahnstraßen (traditionell) Prosumer Gegenverkehr (heute) Prosumer Prosumer 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

14 Stromnetze in D (nach Unbundling, leider) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

15 Energieerzeugung und -verbrauch in D Energieverbrauch in D ca TWh/a (2010): Ca TWh/a Wärme Ca. 700 TWh/a Verkehr Ca. 600 TWh/a Strom Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE), Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

16 Stromnetze in D ( Offshore Finanzierung ) Insgesamt: Ca Mio. Euro pro 1000 MW (= 2,5 3 Mrd. Euro pro GW) Volllast h/a = ca. 5 TWh/a pro 2,5 3 Mrd. Euro 1200 MW 125 km Seekabel 75 km Landkabel 1200 Mio. Euro 580 MW 85 km Seekabel 45 km Landkabel 700 Mio. Euro 800 MW 75 km Seekabel 90 km Landkabel 850 Mio. Euro Quelle: TenneT, Dr. Hoffmann, Leibniz Zukunftsdialog, 19. Mai Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

17 Stromnetze in D ( Offshore Finanzierung ) 1200 MW 125 km Seekabel 75 km Landkabel 1200 Mio. Euro 580 MW 85 km Seekabel 45 km Landkabel 700 Mio. Euro 800 MW 75 km Seekabel 90 km Landkabel 850 Mio. Euro Komplexes Risikomanagement schwierig (Technik, Logistik, Netze, Wetter, Projekt, Politik usw.) Risikokapitalgeber fehlen (nur ca. 12 Banken weltweit) Es darf keine Rückschläge geben 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

18 Infrastruktur/Ausbau der Stromnetze in D 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

22 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 4. Strom ist ein universell verwendbarer Energieträger (Mobilität, Wärme/Kälte, Kraft und Licht), aber nur schlecht speicherbar (Ausnahme: Batterien in Elektro-Fahrzeugen und Hausspeichern, teuer ) 5. Strom ist in speicherbare Energieträger transformierbar, jedoch treten große Energieverluste auf (z.b. Gas) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

23 Potentiale der Photovoltaik/Solarthermie 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

24 Potentiale der Windenergie (on-/offshore) Quelle: Fraunhofer Gesellschaft (IWES) und Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE), Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

25 Volatilität der Windenergie und Photovoltaik in D (ca. 2020) Quelle: Fraunhofer Gesellschaft (IWES) und Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE), Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

26 Tägliche mittlere Last in D (ca. 2020) Quelle: Fraunhofer Gesellschaft (IWES) und Bundesverband Erneuerbare Energie e.v. (BEE), Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

27 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 4. Strom ist ein universell verwendbarer Energieträger (Mobilität, Wärme/Kälte, Kraft und Licht), aber nur schlecht speicherbar (Ausnahme: Batterien in Elektro-Fahrzeugen und Hausspeichern, teuer ) 5. Strom ist in speicherbare Energieträger transformierbar, jedoch treten große Energieverluste auf (z.b. Gas) 6. EE soll soweit möglich und sinnvoll dort erzeugt werden, wo sie gebraucht wird 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

28 Stromverbrauch regional unterschiedlich Quelle: E.ON Avacon und statistisches Landesamt Niedersachsen (2008) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

30 Langfristige Lastverschiebung (Ort, Zeit) Große Stromüberschüsse in Norddeutschland können nicht nur transportiert, sondern auch für die Energiewende sinnvoll genutzt werden ( Strom muss dann günstig sein ): Verlagerung von energieintensiver Produktion, z.b. Stahlindustrie, chemische Industrie, Baustoffherstellung und Spezialschiffbau Zyklische Produktion in Zeiten von Stromüberschüssen Elektro-Mobilität in Norddeutschland (1 Million kleinere E-Fahrzeuge a km p.a. verbrauchen ca. 4 TWh p.a. = Jahresproduktion von 2 großen Nordsee- Windparks a 500 MW) Elektro-Heizungen in öffentlichen und privaten Gebäuden (mit Wärmepumpen) in Norddeutschland 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

31 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 4. Strom ist ein universell verwendbarer Energieträger (Mobilität, Wärme/Kälte, Kraft und Licht), aber nur schlecht speicherbar (Ausnahme: Batterien in Elektro-Fahrzeugen und Hausspeichern, teuer ) 5. Strom ist in speicherbare Energieträger transformierbar, jedoch treten große Energieverluste auf (z.b. Gas) 6. EE soll soweit möglich und sinnvoll dort erzeugt werden, wo sie gebraucht wird 7. Strompreise müssen in naher Zukunft zeitabhängig und ortsabhängig sein (mit Ankündigung und planbar) 8. Energieverbraucher (Kunden) müssen sich langfristig teils zeitlich und räumlich der volatilen Erzeugung von EE anpassen (Anreizsysteme und Märkte, statt Regulierung) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

32 Informationen/Prognosen: EE-Erzeugung, Stromverbrauch und Netzentgelte Heute leider nur Informationen von Großkunden (haben Smart Meter = intelligente Stromzähler), von Trafos und von Übertragungs- und Verteilnetzen verfügbar Bis 2020 sollen alle Stromverbraucher und -erzeuger Smart Meter erhalten (EU Richtlinie) Smart Meter sollen langfristig nicht nur messen, sondern auch variable Preissignale empfangen, darstellen und Stromverbraucher und -erzeuger (Photovoltaik und KWK- Anlagen) fernsteuern können Smart Meter sollen langfristig automatisch in Verbraucher- und Erzeugerverbünden mitwirken Variable Netzentgelte ( up/down ) ggf. verfügbar 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

33 Risiken und Probleme von Smart Metern Wer trägt die Kosten in Milliardenhöhe (Einbau, Betrieb, Vernetzung)? Wie werden die Informationen übertragen? Wer hat Zugriff auf Daten? Wird ein Bürger und ein Unternehmen gläsern und wird der Datenschutz aufgegeben? (z.b. werden Fernsehprogramme, Produkte und Aktivitäten messbar) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

34 Lastverschiebung in Privathaushalten Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

35 Lastverschiebung in Privathaushalten Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

36 Lastbalancierung: Simulation von preisabhängigem Verbrauch Quelle: Cornelius Köpp, IWI, Leibniz Universität Hannover 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

37 Lastbalancierung: Simulation von KWK Stromerzeugung durch BHKW und VKW Quelle: Cornelius Köpp, IWI, Leibniz Universität Hannover 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

38 SmartNord Forschungsverbund 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

39 SmartNord Forschungsverbund 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

40 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 9. Energiekosten steigen mit sinkender Integration und sinkender Kooperation der Energieversorgung (Ort -> Region -> Deutschland -> Europa -> Welt) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

41 Beispiel: DESERTEC (interkontinental) Quelle: Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

42 Beispiel: DESERTEC (interkontinental) Enorme deutsche Investments (politisch und technologisch riskant!) würden eine sehr, sehr kosteneffiziente Strom- und Energieproduktion in attraktiven Gegenden wie Griechenland oder der Sahara ermöglichen Enorme Transformations- (z.b. Wasserstoff oder Methan) und Transportkapazitäten wären nötig (Stromleitungen, Quelle: Pipelines, Tankschiffe usw.) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

43 11 Prinzipien für intelligente Stromnetze 9. Energiekosten steigen mit sinkender Integration und sinkender Kooperation der Energieversorgung (Ort -> Region -> Deutschland -> Europa -> Welt) 10. Stromerzeugung (Wind/Sonne) wird günstiger, jedoch verursacht der rasch steigende Bedarf an Stromtransport sowie Stromtransformation und -speicherung hohe neue Kosten ( Eigenverbrauch wird wirtschaftlicher ) 11. Transformation des Energiesystems führt zu stark wachsender Bedeutung von Strom für Energieversorgung: Investitionen müssen privat von unten kommen (nicht nur vom Staat oder von Großkonzernen) EE-Erzeugung wird demokratisiert ( Teilhabe vieler ) 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner (breitner@iwi.uni-hannover.de)

44 EE-Erzeugung aus Photovoltaik Solarthermie ist noch wirtschaftlicher, liefert aber nur warmes Wasser 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

45 Finanzierung der Energiewende 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

48 Ihre Finanzierung der Energiewende Sie können in eigene Immobilien investieren (zusätzlich Steuervorteile möglich, teils auch in Mietwohnungen) Energiekostensenkung (Fassaden-/Fenstersanierung) Photovoltaik (EEG Garantie 15/20 Jahre, ca. 10% p.a.) Solarthermie (sehr effizient und wirtschaftlich) Gebäudetechnik (u.a. Kraft-Wärme-Kopplung) Wärmepumpen (Erde und Luft) dezentrale Energiespeicher (Batterien, große Warmwasserspeicher), evtl. gekoppelt mit Elektro-Mobilität Energiekostenanstieg (Gebäude und Mobilität p.a. langfristig bei 4% bis 5%) und wahrscheinlich höhere, variable (Zeit und Ort) Netzentgelte 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner

49 wolkenlos bewölkt wolkenlos bewölkt Option: Ost-/Westausrichtung 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner Quelle: Prof. Dr. Gunther Seckmeyer, Leibniz Universität Hannover Zum Dessert: Photovoltaik lohnt sich oft auch an Balkonen (und für Mieter):

50 Und nun Ihr Dessert 12. Juni : Prof. Dr. Michael H. Breitner