Integration der erneuerbaren Stromerzeugung mögliche Beiträge von Wärmeversorgungssystemen

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1 Integration der erneuerbaren Stromerzeugung mögliche Beiträge von Wärmeversorgungssystemen Struktur 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) 4. Fazit 1

2 Wieso und wozu brauchen wir Ausgleichsoptionen? Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz ( ) Leistung [MW] Load consumption Lastverlauf Wind power generation Windleistung Windleistung power (Prognose) prognosis ~540 GWh 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/ Geschätzter Bedarf in Deutschland 2040+: 80% Szenarien: GW, 2 8 TWh 100% Szenarien: GW, TWh ca. 40 GWh/6 GW) IfR, TU Braunschweig Notwendige Speicherkapazität zur kontinuierlichen Lieferung der mittleren Leistung (Pumpspeicher, Deutschland, derzeit: 2

3 5347MW Wieso und wozu brauchen wir Ausgleichsoptionen? 8000 Windleistu p Leistun g (MW) /02 02/03 IfR, TU Braunschweig Potential für Windkraft an Land Quelle: SRU 2010 (100% regenerative Stromversorgung in Deutschland 2050) 3

4 Potential für Windkraft im Meer Quelle: SRU 2010 (100% regenerative Stromversorgung in Deutschland 2050) Potential für Photovoltaik (PV) Quelle: SRU 2010 (100% regenerative Stromversorgung in Deutschland 2050) 4

5 Einteilung nach Konkurrenzen: typische Leistung / Zeitskala Ausgleichsoptionen Typische Zeitskala / Energie-Leistungs-Verhältnis Sekunden bis Minuten täglich wöchentlich monatlich < 15 Min Std Std. Konstruktionsweise/typische Leistung Modular, Doppelnutzen Modular Zentral 1 MW 100 MW 100 MW 1 GW 5

6 Direkt: Strom Strom Elektrizität > Elektrizität Speichersysteme Konstruktionsweise/typische Leistung Modular, Doppelnutzen Modular 1 MW 100 MW Typische Zeitskala / Energie-Leistungs-Verhältnis Sekunden bis Minuten täglich wöchentlich monatlich < 15 Min Std Std. Elektro- und Plug-in hybrid-fahrzeuge, bidirektional geladen Netzverbundene PV- Akkumulatoren-Systeme (z.b. Blei-Säure, Lithium- Ionen, NaS, Redox-flow, Zink-Brom) (Blei-Säure Akkumulatoren) Lithium-Ionen Akkumulatoren Schwungräder NiCd/NiMH Akkumulatoren Doppelschichtkondensatoren ( SuperCaps ) Elektro- und Plug-in hybrid-fahrzeuge, bidirektional geladen Netzverbundene PV- Akkumulatoren-Systeme (z.b. Blei-Säure, Lithium- Ionen, NaS, Redox-flow, Zink-Brom) (Blei-Säure Akkumulatoren) Lithium-Ionen Akkumulatoren NaS Akkumulatoren Zink-Brom Akkumulatoren Redox-flow Akkumulatoren Redox-Flow Akkumulatoren (?) Zentral 100 MW 1 GW Druckluftspeicher (diabatisch/adiabatisch) Pumpspeicherkraftwerke Wasserstoffspeicher Pumpspeicherkraftwerke Einseitig: Bereitstellung Konstruktionsweise/typische Leistung Etwas > Elektrizität positive Regelenergie Modular, Doppelnutzen Modular Zentral 1 MW 100 MW 100 MW 1 GW Typische Zeitskala / Energie-Leistungs-Verhältnis Sekunden bis Minuten täglich wöchentlich monatlich < 15 Min Std Std. KWK mit thermischen Speichern Ladungsstop Demand side Management Elektro-, Plug-in- (DSM) elektrischer Lasten Hybrid-Fahrzeuge Ladungsstop Elektro-, Plugin-Hybrid-Fahrzeuge Rotierende Massen und Dampfreserve konventioneller Kraftwerke Biogaskraftwerke Biogaskraftwerke Gaskraftwerke Kohlekraftwerke Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher Wasserkraftwerke Braunkohlekraftwerke Kernkraftwerke Wasserkraftwerke 6

7 Einseitig: Abnahme Konstruktionsweise/typische Leistung Elektrizität > Etwas negative Regelenergie Modular, Doppelnutzen Modular Zentral 1 MW 100 MW 100 MW 1 GW Typische Zeitskala / Energie-Leistungs-Verhältnis Sekunden bis Minuten täglich wöchentlich monatlich < 15 Min Std Std. Elektrische Hausheizung, Elektrische Hausheizung, Klimatisierung Klimatisierung (inkl. Wärmepumpen) (inkl. Wärmepumpen) Demand Side Demand Side Management (Haushalte Management (Haushalte & Industrie) & Industrie) Kühlgeräte Kühlgeräte Elektro- /Plug-in-Hybrid- Elektro- /Plug-in-Hybrid- Fahrzeuge, unidirektionales Fahrzeuge, uni- Laden direktionales Laden Herunterfahren von Wind- und Photovoltaik- Anlagen Herunterfahren von Wind- und Photovoltaik- Anlagen Wasserstoff für direkt Nutzung (z.b. Verkehr) Methan oder Methanol aus CO2 und Wasserstoff Wasserstoff für direkt Nutzung (z.b. Verkehr) Methan oder Methanol aus CO2 und Wasserstoff Wasserstoff für direkt Nutzung (z.b. Verkehr) Methan oder Methanol aus CO2 und Wasserstoff Wasserstoff für direkt Nutzung (z.b. Verkehr) Methan oder Methanol aus CO2 und Wasserstoff Konkurrierende Optionen für den zeitlichen Ausgleich? 7

8 Konkurrenz zum räumlichen Ausgleich Rangfolge der Kosten technischer Optionen Long term storage : Wasserstoff, Pumpspeicher Load levelling : Pumpspeicher, Druckluftspeicher Peak shaving in distribution grid : Akkumulatoren Auch zu beachten: Doppelnutzen Optionen (E Mobilität, PV Speicher, KWK Anlagen) Demand Side Management (inkl. Wärmepumpen) (ca. 10 GW in De) Abschalten von Wind und PV in Extremsituationen Option Überkapazitäten an Wind/PV + zus. Netzausbau (Verlässliche Elektrizität aus erneuerbaren Energien) 8

9 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) Leistung [GW] DSM inklusive Wärmepumpen in (Droste Franke et al. 2012) s Feed Einspeisung White Weiße goods Ware Electr Elektrofahrzeuge Heat Wärmepumpen pumps Load Residuale w Last 00:15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 05:30 06:15 07:00 07:45 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 19:45 20:30 21:15 22:00 22:45 23:30 Annahmen für Wärmepumpen: Herbst, Frühling, Winter: 24 Stunden Betrieb, Sommer: 6 22 Uhr Bis zu drei Abschaltungen von 2 Stunden Dauer Mindestabstand: 2 Stunden P max =2 kw, 6,4 TWh gesamt Orientiert an Leitstudie 2009 Leistung [GW] :15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 05:30 06:15 07:00 07:45 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 19:45 20:30 21:15 22:00 22:45 23:30 (Droste Franke et al. 2012) 9

10 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) Nahwärme und Mikro KWK Annahmen für KWK Anlagen: Mikro KWK: nicht steuerbar/ trennbar vom Netz (zusätzlich Spitzenkessel) Nahwärme KWK: modulierte Operation Alle: wärmegeführt Wärmespeicher: Ausreichend dimensioniert Bei Volllast: nach 4 Std. gefüllt Hoher Wärmebedarf: nach 4 Std. leer Alle Kraftwerke können zentral gesteuert werden Orientiert an Leitstudie Sommer 2020 Sommer Positives Verschiebepotential [GW] 2020 Winter 2020 Winter 2030 Sommer 2030 Sommer 2030 Winter 2030 Winter Sommer Sommer Winter Negatives Verschiebepotential [GW] Winter Nahwärme KWK Mikro KWK Nahwärme KWK Mikro KWK Quelle: Droste Franke et al. (2012) 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) Anwendungsbereiche 1/2 1. Arbitrage durch Zeitverschiebung (Stunden) 2. Spitzenkappung/Nachfragereduktion (Stunden) 3. (Kontinuierliche) Frequenzunterstützung (Sekunden) 4. Regelenergie/momentane Ereignisse (Sekunden bis Minuten) 5. Leistungsregulierung/höhere Netzebenen (Sekunden bis Minuten) 6. Rotierende und stehende Reserve (Minuten bis Stunden) 7. Kurzfristige Spannungsunterstützung (Sekunden bis Minuten) (Quelle: Perrin et al nach Sandia 2013, Deri 2014) 10

11 3. Wärmepumpen und Kraftwärmekopplung (KWK) Anwendungsbereiche 2/2 8. Lastnachbildung (Minuten bis Stunden) 9. Schwarzstart (Sekunden bis Minuten) 10. Angebotsglättung (Minuten bis Stunden) 11. Investitionsaufschub/optimale Infrastrukturnutzung (Stunden) 12. Langfristige Spannungsunterstützung (Minuten bis Stunden) 13. Qualitäts- und Stabilitätsmanagement (Sekunden) 14. Verlässlichkeit der Versorgung (Sekunden bis Minuten) (Quelle: Perrin et al nach Sandia 2013, Deri 2014) 4. Fazit 11

12 4. Fazit Fazit Der technische Ausgleich von Angebot und Nachfrage ist ein wichtiges Element in der Stromversorgung Diverse technische Optionen existieren oder befinden sich in der Entwicklung, darunter auch CO 2 arme Varianten Bei der Aufstellung einer Rangfolge von Optionen für den Ausgleich von Angebot und Nachfrage sind Doppelnutzen zu berücksichtigen Wärmeseitig ergeben sich mit Wärmepumpen, Mikro KWK und KWK Nahwärmesystemen: Positives Verschiebepotential: > 15 GW im Sommer, > 5 GW im Winter Negatives Verschiebepotential: > 1 GW im Sommer, > 12 GW im Winter Die Potentiale sollten genutzt werden, müssen aber voraussichtlich mit weiteren Optionen ergänzt werden (De, 2040+: 20 35/100 GW) Weitere Details in Droste Franke B (2015) (in Vorbereitung) Energiespeicher und alternative Energieausgleichsoptionen aus diversen (systemischen) Perspektiven. Technikfolgenabschätzung, Theorie und Praxis (TATuP), 03/15, ITAS KIT, Karlsruhe Doetsch C, Droste Franke B, Mulder G, Scholz Y, Perrin M (Hrsg.) (2015) (in Vorbereitung) Electric Energy Storage Future Energy Storage Demand, final report to International Energy Agency (IEA), ECES26, Paris Droste Franke B (2015) Review of the need for storage capacity depending on the share of renewable energies. in: Moseley P and Garche J (Hrsg.) Electrochemical Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing, Elsevier Droste Franke B, Paal BP, Rehtanz C, Sauer DU, Schneider JP, Schreurs M, Ziesemer T (2012) Balancing renewable electricity. Energy storage, demand side management, and network extension from an interdisciplinary perspective. Ethics of science and technology assessment,vol 40. Springer, Heidelberg Droste Franke B, Berg H, Kötter A, Krüger J, Mause K, Pielow JC, Romey I, Ziesemer T (2009) Brennstoffzellen und Virtuelle Kraftwerke. Energie, umwelt und technologiepolitische Aspekte einer effizienten Hausenergieversorgung. Ethics of science and technology assessment, vol 36., Springer, Berlin 12

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Ing., Dipl. Phys. EA European Academy of Technology and Innovation Assessment GmbH Wilhelmstr. 56, Bad Neuenahr Ahrweiler Tel. +49 (0) Fax +49 (0) bert.droste aw.de aw.de 13