Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im Zeichen der Energiewende Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther

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1 Zeichen der Energiewende Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Fakultäten-Club, Erlangen, 4. Juni 2013

2 Quelle: Frankfurter Rundschau Quelle: spiegel online ( ) Quelle: Handelblatt Quelle: faz.net Quelle: focus.de Seite 2 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

3 Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im Übersicht Einleitung Herausforderungen der Zukunft Stromnetze im Wandel Integration erneuerbarer Energien Versorgungssicherheit und Systemstabilität Die Entwicklung des Strompreises Aktuelle Forschungsthemen am Lehrstuhl Zusammenfassung Seite 3 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

4 Einleitung Seite 4 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

5 Globales Wachstum: Bevölkerung, Energiebedarf und CO 2 -Konzentration 13 kwh / billion ppm Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung Seite 5 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

6 Reserven, Ressourcen und Reichweiten* der Energieträger Reserven Ressourcen Öl konventionell Konventionell nicht konv Bemerkungen Begrenzte Reserven, die sich hauptsächlich in politisch sensiblen Regionen befinden, hoher Preis Nutzung mit hohen CO 2 -Emissionen verbunden Reservierung für Transport und Chemie sinnvoll Erdgas konventionell Konventionell + nicht konv Hohe Importabhängigkeit, Preise volatil Nutzung mit relativ geringem CO 2 -Ausstoß verbunden Verbrennung in wenig aufwendigen Prozessen z.b. in Heizanlagen und dezentralen Kleinanlagen Steinkohle Braunkohle Relativ gleichmäßige, globale Verteilung und große Reichweite Hohe CO 2 -Emissionen bei Verbrennung, die aber mit neuen Technologien beherrschbar erscheinen Uran Wenig Exploration in der Vergangenheit Einsatz hauptsächlich in der Stromerzeugung Ausbeutung teurerer Ressourcen mit globaler Verteilung wirtschaftlich, da Einfluss auf Erzeugungskosten gering Reichweitenvergrößerung möglich (Schneller Brüter) >200 >1.000 Jahre Statische Reichweite * bei gleichbleibenden Verbrauch wie 2005 Quelle: BGR - Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (2005) Seite 6 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

7 Senkung der CO 2 -Emissionen in Deutschland bis 2050 Quelle: BMU Seite 7 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

8 Struktur der elektrischen Energieversorgung 380 kv 110/220 kv 110 kv 110 kv 220/380 V 20 kv 20 kv 220/380 V Seite 8 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

9 Herausforderungen der Zukunft Seite 9 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

10 Aktuelle Herausforderungen entlang der elektrischen Energiekette Rohenergie Umwandlung Transport Verteilung Nutzung Geothermie Erdbeben, Einfluss auf den Untergrund Fracking Mögliche Folgen für die Umwelt Kernfusion Plasmaeinschluss Hybridkraftwerke Bisher wenig verbreitet Netzausbau Effizienz Bürgerakzeptanz Grenzen der Physik Smart Grids Wirtschaftlichkeit Erneuerbare Energien Netzintegration und Konsequenzen Speicherbedarf Strom als just-in-time Produkt nicht in techn. interessantem Maße speicherbar E-Mobility Batteriespeicher, flächendeckende Infrastruktur Seite 10 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

11 Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im Elektrische Netze im Wandel Verbrauchsschwerpunkte konventionelle Kraftwerke Erzeugungsüberschuss Erzeugungsdefizit Windenergie onshore/offshore Verstärkung des Photovoltaik privat Übertragungsnetzes Photovoltaik gewerblich Reserve-Kraftwerke Seite 11 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

12 Lastflussverschiebung durch Einspeisung aus Wind und Photovoltaik ~ 380/220 kv ~ 380/220 kv 110 kv 110 kv 10/20 kv 10/20 kv ohne Wind/PV- Einspeisung mit Wind/PV- Einspeisung Seite 12 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

13 Beispiel: Wind und Photovoltaik-Einspeisung in Deutschland (Feb. 2011) MW Wind Deutschland Ist PV Deutschland Ist MW MW Maximale Windeinspeisung von über MW über 32 Stunden, Spitzenwert MW MW Hohe Windeinspeisung im Norden gepaart mit hoher PV-Einspeisung im Süden MW 0 MW Quelle: TenneT TSO GmbH Seite 13 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

14 Ausbauziele der Erneuerbaren Energien in Deutschland maximale Last ca MW Minimale Last ca MW Quelle: BMU Seite 14 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

15 Prognose zu Installierten Windenergieleistung in Europa Onshore: Offshore: Total: Onshore: Offshore: Total: Quelle: Seite 15 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

16 Fakten zum Kernenergieausstieg 2011 Betroffene Kernkraftwerke durch sofortige Abschaltung Biblis A MW Neckarwestheim MW Philippsburg MW Unterweser MW Isar MW Biblis B MW 1) Brunsbüttel 771 MW 2) Krümmel MW 2) Total 8281 MW 1) In Revision seit ) Außer Betrieb Seite 16 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

17 Versorgungssicherheit: Leistungsbilanz in Deutschland 2011 (Ergebnisbericht gemäß 12 EnWG der 4 dt. ÜNB) ca. 147 GW ca. 80 GW Ergebnis : in Summe 1,7 GW Unterdeckung, insbesondere in Süddeutschland Seite 17 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

18 Kapazität und Erzeugung 2011 Gesamte Elektrizitätswirtschaft * zum Quelle: BDEW Seite 18 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

19 Ausgleich von Erzeugung und Last durch Regelleistung Regelleistung dient der Bilanzierung des Systems (Frequenzstabilität) wird gewährleistet durch konventionelle Kraftwerke, die frei disponible Leistung zur Verfügung stellen können (derzeit ca. ± MW in Deutschland) Seite 19 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

20 Aufzeichnung der Netzfrequenz (9. April 2013, Tagesverlauf Wochentag) Seite 20 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

21 Aufzeichnung der Netzfrequenz (Tagesverlauf Wochentag vs. Wochenende) Seite 21 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

22 Versorgungsqualität* im europäischen Vergleich * mittlere Unterbrechungsdauer in Minuten/Jahr Quelle: VDE Seite 22 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

23 Die Entwicklung des Strompreises Seite 23 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

24 Durchschnittliche Zusammensetzung des Strompreises für Privathaushalte in Deutschland (2012) 1,79 7% Strompreis Brutto 25,89 ct/kwh 0,15 1% Strombeschaffung, Vertrieb 4,13 16% 8,13 31% Netzentgelt Stromsteuer 0,002 0% EEG KWK-G 3,592 14% MwSt (19%) Konzession 2,05 8% 6,04 23% Angaben in ct/kwh % (gerundet) 19 StromNEV Quelle: BDEW Seite 24 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

25 Strompreisentwicklung in Deutschland für Privathaushalte 30,00 29,15 ct / kwh 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 17,11 16,53 12,91 11,6 13,94 14,32 16,11 8,62 8,58 9,7 17,19 10,25 21,65 25,23 25,89 23,21 23,69 20,64 19,46 18,66 17,96 12,99 14,12 13,89 13,8 14,17 14,67 10,85 11,22 11,72 12,19 7,3 6,34 5,92 5,8 5,81 5,75 6,04 6,64 0, * 2013** Erzeugung, Vertrieb Konzessionsabgabe Stromsteuer KWK-Umlage 19 Umlage EEG-Umlage Umsatzsteuer Offshore-Haftungsumlage Erzeugung, Vertrieb, Netze Strompreis brutto Netzentgelt * Stand: Oktober 2012 ** Prognosewerte Quelle: BDEW Seite 25 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

26 Strompreise im europäischen Vergleich (1. Jahreshälfte 2012) 0,16 0,07 0,08 0,12 0,13 0,14 0,08 0,11 0,18 0,11 0,15 0,10 0,15 0,23 0,11 0,10 0,15 0,12 0,16 0,13 0,14 0,11 0,11 0,08 0,12 0,14 0,11 0,13 0,16 0,09 0,14 0,08 0,10 0,11 0,10 0,07 0,15 0,14 0,14 0,18 0,21 0,14 0,13 0,17 0,16 0,17 0,19 0,20 0,14 0,20 0,11 0,15 0,17 0,15 0,20 0,17 0,11 0,19 0,09 0,12 0,13 0,12 0,08 0,23 0,22 0,26 0,28 0,30 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Haushalte, kwh < Verbrauch < kwh Gesamtpreis BE BG CZ DK DE EE IE GR ES FR IT CY LV LT LU HU MT NL AT PL PT RO SI SK FI SE UK IS NO ME HR TR AL BA ohne staatliche Sonderlasten mit staatlichen Sonderlasten Quelle: eurostat Seite 26 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

27 Aktuelle Forschungsthemen am Lehrstuhl Seite 27 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

28 Komponenten einer ganzheitlichen Systemgestaltung Biomasse Photovoltaik Windenergie Intelligente Übertragungssysteme Offshore Windenergie Intelligente dezentrale Energiesysteme Übertragungstechnologien Industrie Speicher e-mobility Haushalte als Prosumer Nachhaltige Energiesysteme Großtechnische Erzeugung Seite 28 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

29 Netzentwicklungsplan in Deutschland Leitszenario (hoher EE-Zubau) Optimierung in bestehenden Trassen: AC-Neubau in Bestandstrassen: 2800 km AC-Verstärkungen und AC-Stromkreisauflagen auf Bestandstrassen : 1300 km DC-Stromkreisauflage: 300 km Netzausbau in neuen Trassen: AC-Trassenneubau: 1700 km 4 DC-Korridore: Übertragungsleistung DC-Trassenneubau 10 GW 2100 km Geschätzte Investition 20 Mrd. (inkl. Startnetz) Leitszenario B 2022 Seite 29 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

30 Dynamisches Systemverhalten des europäischen Verbundnetzes Dämpfung Rotierende Massen 50 frequency SLAVETICE mhz 50 frequency ETZENRIC mhz 100 Freq FRLAG SA mhz 100 frequency ETZENRIC mhz frequency DJERDAP mhz 0 frequency MOSTAR mhz 0 0 frequency SLAVETICE mhz 0 (a) frequency SLAVETICE mhz frequency DJERDAP mhz 0 50 frequency ETZENRIC mhz frequency MOSTAR mhz Freq FRLAG SA mhz frequency ETZENRIC mhz frequency SLAVETICE mhz (b) frequency deviation, in mhz frequency deviation, in mhz Univ.Erlangen-Nbg. RPC-AUSGELAGERT : [s] connection of the CENTREL with the UCPTE-system.Peak load 1997, 3-phase short circuit on 380kV - line STUPAVA - WIEN, fault clear. time fct= 460 ms, Chair of Electrical Energy Systems, S.H.-EES 73 Produced with PSS NETOMAC (V ), Siemens AG [s] Univ.Erlangen-Nbg. 3-phase short circuit on interconnection line FRANCE - SPAIN, total inertia Spain T_A=21 (a), T_A=14.5 (b), fault clear. time fct= 500 ms, WPL Chair of Electrical Energy Systems, S.H.-EES :41 Produced with PSS NETOMAC (V ), Siemens AG Spannungshaltung P R Regelleistung Quelle: TenneT Sekundärregelung Minutenreserve Primärregelung Stundenreserve 5 s 30 s 15 min 1 h t Seite 30 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

31 Energiesystemanalyse Bayern - Simulationsmodell Bayern als Bilanzregion Ex- und Importe: Stromerzeugung innerhalb Bayerns: Kernenergie, Steinkohle, Gas, Öl, Abfälle, Wasserkraft, Biomasse, Photovoltaik, Windenergie, Geothermie Optionale Stromerzeugung außerhalb Bayerns: Kernenergie, Braunkohle, Steinkohle, Off- und Onshore Windenergie Strombedarf Speichermöglichkeiten: Pumpspeicherkraftwerke, Batteriespeicher, etc. Seite 31 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

32 Verbundprojekt: Smart Grid Solar [kwh] umgewandelte Energie gespeicherte Energie elektrische Energie 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Tageszeit Seite 32 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

33 Forschungskonzept Netzmanagement - Smart Grid Solar Erfassung Ist-Netz Verifikation Netzberechnung U, I, φ Messsystemaufbau & Speicherintegration U, I, φ U, I, φ U, I, φ U, I, φ U, I, φ Messphase Optimierung Gesamtsystem Simulation, Analyse & Optimierungsrechnung Seite 33 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

34 Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im Seite 34 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

35 Zusammenfassung Europäische energiepolitische Vorgaben, deren nationale Umsetzung und nicht zuletzt der in Deutschland beschlossene Kernenergieausstieg bedingen einen schrittweisen und nachhaltigen Umbau der Energieversorgung. Die elektrischen Energieversorgungssysteme der Zukunft werden durch die Integration eines hohen Anteils von regenerativer Erzeugung, dezentralen Strukturen und einem stark ausgeprägten Stromhandel gekennzeichnet sein. Ein nachhaltiger Umbau der elektrischen Energieversorgung erfordert Klare politische Vorgaben und ein abgestimmtes Energiekonzept auf nationaler und europäischer Ebene Ganzheitliche Systembetrachtungen und eine verbesserte interdisziplinäre Zusammenarbeit vom Übertragungsnetz bis zu innovativen dezentralen Versorgungstrukturen Eine erweiterte Förderung von Forschung und Entwicklung sowie eine intensivere Zusammenarbeit zwischen Netzbetreibern, Systemtechnikherstellern, Hochschulen und weiteren Forschungseinrichtungen Seite 35 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

36 Kontakt Seite 36 Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther Die Zukunft der elektrischen Energieversorgung im 4. Juni 2013

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