Technische Möglichkeiten und Grenzen für ein erneuerbares Energiesystem Deutschlands

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1 Technische Möglichkeiten und Grenzen für ein erneuerbares Energiesystem Deutschlands 100 % Erneuerbare Energien für Deutschland? Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Workshop "Möglichkeiten und Grenzen der Solarenergie. Technik Ökonomie Umwelt Gesellschaft Weinheim, 18./19. Dez

2 Agenda Einführung Methodik Technische Potenziale Ergebnisse 100 % EE für Strom und Wärme Weniger als 100 % 100 % für den gesamten Energiesektor? Zusammenfassung

4 Einführung Leitfragen Ist es möglich, den Energiebedarf Deutschlands mit 100% EE zu decken? Falls ja: wie sehen optimale, konsistente Systeme aus? Und was kosten sie? Vorgehen Erster Schritt: umfassendes Modell für Strom und Wärme (Heizung, Warmwasser), d.h. Elektrizitäts- und Gebäudesektor (Wohnungs- und Nichtwohnungsbau) Zunächst nicht einbezogen Mobilität auf Basis fossiler Brennstoffe Industrielle Prozesse auf Basis fossiler Brennstoffe Die Analyse umfasst 62 % des heutigen Primärenergiebedarfs

5 Agenda Einführung Methodik Technisches Potential Ergebnisse 100 % EE für Strom und Wärme Weniger als 100 % 100 % für den gesamten Energiesektor? Zusammenfassung

6 Methodik Struktur des Energiesystems photovoltaic battery pumped pow er plant electrical load excess electricity w ind onshore pow erto-gas methane combined cycle gas turbine stoarge, export electricity load CHP + solar, w ind offshore hydro pow er biomass fossil CHP solar electrical pump solar micro-chp solar gas pump load, total load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar import electricity solar excess

7 Methodik Wandler erneuerbarer Energien Photovoltaik photovoltaic w ind onshore battery pow erto-gas Onshore Wind methane pumped pow er plant combined cycle gas turbine Biomasse stoarge, electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, w ind offshore hydro pow er biomass fossil Offshore Wind CHP solar electrical pump solar micro-chp solar gas pump load, total load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar import electricity solar excess Wasserkraft Solarthermie - zentral Solarthermie - dezentral

8 Methodik Lasten photovoltaic battery pumped pow er plant Stromlasten electrical load excess electricity w ind onshore pow erto-gas methane combined cycle gas turbine stoarge, export electricity load CHP + solar, w ind offshore hydro pow er biomass fossil CHP electrical pump solar Wärmelasten solar in Wohn- und Nichtwohngebäuden: Heizung und Warmwasser micro-chp solar gas pump load, total load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar import electricity solar excess

9 Methodik - Energiewandler photovoltaic w ind onshore battery pow erto-gas methane pumped pow er plant combined cycle gas turbine Gas to power GuD- Kombikraftwerke stoarge, electrical load excess electricity export electricity Power to elektrische Wärmepumpe load CHP + solar, w ind offshore hydro pow er biomass fossil Gas to power + große KWK CHP solar electrical pump solar micro-chp solar gas pump load, total load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar import electricity Gas to power + Klein-KWK solar excess Gas to Gas-wärmepumpe

10 Methodik Speicher photovoltaic w ind onshore w ind offshore hydro pow er import electricity Batterien battery biomass fossil methane pumped pow er plant Power-to-Gas Wandler und Gasspeicherung combined cycle gas turbine CHP solar Große Wärmespeicher stoarge, (Quartiersebene) Pumpspeicherkraftwerke electrical pump solar micro-chp solar gas pump solar pow erto-gas electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, load, total Wärmepufferspeicher in Gebäuden load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess

11 Power-to-Gas aus: Mergel, Emonts et al.: Wasserelektrolyse und regenerative Gase als Schlüsselfaktoren für die Energiesystemtransformation. FVEE - Jahrestagung 2012: Zusammenarbeit von Forschung und Wirtschaft für Erneuerbare und Energieeffizienz

12 Methodik Annahmen und Voraussetzungen Jahresmodell auf Stundenbasis Stromerzeugung durch Wind, PV und Wasserkraft: normiertes Profil mit Stundenwerten von 2011 Biomasse: 50 fix für Strom und Wärme (Gesamtenergieverbrauch an Biomasse einschl. Müll in Deutschland 2010: über 300 ) Strombedarf und Energiebedarf für Heizung: normiertes Profil mit Stundenwerten von 2011 Jahreswerte Endenergiebedarf: Heutiger Strombedarf von ca. 500 (ohne Heizung und Warmwasser): wird als konstant angenommen Heutiger Heizwärmebedarf von 781 : energetische Optimierung von Gebäuden Bestandteil der Modellierung Heutiger Warmwasserbedarf 105 : wird als konstant angenommen

13 Methodik Optimierung 1/2 Bestimmung der optimalen Größe und Zusammensetzung aller Wandler und Speicher einschließlich energetischer Sanierung von Gebäuden Optimal: minimale jährliche Gesamtkosten (Invest, Finanzierungen, Wartung/Betrieb) Netzbezogene Kosten (Hochspannungsübertragung, Verteilung, Fernwärme) in den Gesamtkosten enthalten; die Netzgröße ergibt sich aus der Kapazität der entsprechenden Komponenten (Wind, PV) Identifikation der Minima im mehrdimensionalen Parameterraum durch schnellen mathematisch-numerischen Optimierer Kosten für Komponenten: Kosten weit unten auf Lernkurve, die nach langjährigem FuE und breiter Markteinführung erreicht werden (industrielle Herstellung, Skaleneffekte) 1) (1) Quelle für meiste Kostenwerte: International Energy Agency (IEA) (Ed.), Energy technology perspectives Scenarios & strategies to 2050

14 Methodik Optimierung 2/2 Jährliche Gesamtkosten (Mrd ) vs. Simulationsfortschritt; jeder Wertepunkt steht für eine Simulation des gesamten Energiesystems für ein Jahr 10h Rechenzeit auf einem herkömmlichen PC

15 Verwendete Kostenfunktion für die Mehrkosten energetischer Sanierung

16 Zusammenhang JAZ Wärmepumpen und Sanierungsrate

18 Technische Potenziale Onshore Wind: max 200 GW (1) Offshore Wind: max 85 GW (1) Für Solarenergiewandler (PV und Solarthermie) in Frage kommende Flächen: insg km² (2) Quellen: (1) Windenergie Report Deutschland Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES. In this study the annual technical potential for offshore wind is estimated as 300 which corresponds to 85 GW (3500 full load hours) (2) Vorstudie zur Integration großer Anteile Photovoltaik in die elektrische Energieversorgung. Studie im Auftrag des BSW. Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES), Kassel, November 2011 (Ergänzte Fassung vom )

20 Ergebnisse - System mit minimalen Kosten (119 Mrd. p.a.) photovoltaic 252 GW w ind onshore 200 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 52 GWh 60 GWh biomass 50 fossil 0 Building energy retrofit Reduction of demand on 64.9% of the 2010-value CHP 13 GW solar 32 GW electrical 82 pump 140 GW solar 85 GW stoarge, 47 Mio. m³ 187 stor- 246 age combined pow erto-gas methane cycle gas 44 turbine GW GW micro-chp GW solar GW gas pump 107 GW solar 65 GW electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, load, total 625 load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess

21 Ergebnisse Vielfalt Systemkombinationen Alle Lösungsansätze decken Strom und Wärme mit 100 % EE Unterschiedliche Kombination/Nutzung von EE-Wandlern, Speichern, Wandlern und Umfang energetischer Gebäudesanierung Die jährlichen Gesamtkosten liegen zwischen 118 und 126 Mrd. GW elektrisch GW thermisch GWh 10*GWh % 2010 Mrd.

22 Ergebnisse drei ausgewählte Systeme GW elektrisch GW thermisch GWh 10*GWh % 2010 Mrd.

23 Ergebnisse drei ausgewählte Systeme: EE-max Maximalkapazität für Wind onshore (200 GW) und offshore (85 GW) Photovoltaik 252 GW Energetische Sanierung: Wärmebedarf reduziert auf 65 % des Wertes von 2010 Jährliche Gesamtkosten: 118,9 Mrd. GW elektrisch GW thermisch GWh 10*GWh % 2010 Mrd.

24 Ergebnisse drei ausgewählte Systeme: Medium Maximalkapazität für Wind offshore (85 GW) Wind onshore 170 GW Photovoltaik 206 GW Weniger Solarthermie, weniger Power-to-Gas, weniger Gaswärmepumpen Energetische Sanierung: Wärmebedarf reduziert auf 50 % des Wertes von 2010 GW elektrisch Jährliche Gesamtkosten: 121,3 Mrd. GW thermisch GWh 10*GWh % 2010 Mrd.

25 Ergebnisse drei ausgewählte Systeme: RetrofitMax Wind offshore 75 GW, Wind onshore 170 GW Photovoltaik 170 GW Weniger Power-to-Gas, nahezu Verzicht auf Gaswärmepumpen, mehr Wärmespeicherung nötig Energetische Sanierung: Wärmebedarf reduziert auf 40 % des Wertes von 2010 GW elektrisch GW thermisch Jährliche Gesamtkosten: 126,4 Mrd. GWh 10*GWh % 2010 Mrd.

26 Ergebnisse 2. System Medium photovoltaic 206 GW w ind onshore 170 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 56 GWh 60 GWh biomass 50 fossil 0 Building energy retrofit Reduction of demand on 50.0% of the 2010-value CHP 11 GW solar 29 GW electrical 85 pump 145 GW solar 76 GW stoarge, 47 Mio. m³ 186 stor- 245 age combined pow erto-gas methane cycle gas 57 turbine GW GW micro-chp GW solar GW gas pump 48 GW solar 25 GW electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, load, total 508 load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess

27 Ergebnisse EE Wandler Medium photovoltaic 206 GW w ind onshore 170 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 56 GWh 60 GWh biomass 50 fossil 0 Wasser 5 GW Wind On Building energy retrofit PV 206 GW Reduction of demand on 50.0% of the 2010-value Wind Off 85 GW CHP 11 GW solar 29 GW ST zentral 25 GW electrical 85 pump 145 GW solar 76 GW Biomasse 50 stoarge, 47 Mio. m³ 186 stor- 245 age combined pow erto-gas methane cycle gas 57 turbine 170 GW GW GW micro-chp GW solar GW gas pump 48 GW solar 25 GW electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, load, total 508 load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess ST dezentral 76 GW

28 Ergebnisse Lastenreduzierung Medium photovoltaic 206 GW w ind onshore 170 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 56 GWh 60 GWh biomass 50 fossil 0 Strombedarf: keine Lastreduzierung (ohne elektrische WP) 500 Max. Gesamtlast (Last + elektrische Jährlicher Gesamtstrombedarf (Last + 4 elektrische WP): 586 CHP GW Building energy retrofit Reduction of demand on 50.0% of the 2010-value solar 29 GW 11 electrical 85 pump 145 GW solar 76 GW Heizwärmebedarf % des Wertes aus 2010 stoarge, 47 Mio. m³ 186 stor- 245 age combined pow erto-gas WP): 104 GW methane cycle gas turbine GW GW micro-chp GW solar GW gas pump 48 GW solar 25 GW electrical load excess electricity export electricity load CHP + solar, load, total 508 load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess

29 Ergebnisse Wandler Medium photovoltaic 206 GW w ind onshore 170 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 56 GWh 60 GWh biomass 50 fossil 0 KWK zentral 11 GW el Building energy retrofit Reduction of demand on 50.0% of the 2010-value CHP 11 GW solar 29 GW electrical 85 pump 145 GW solar 76 GW 186 stor- 245 age 5 0 electrical load excess electricity export electricity stoarge, load CHP Electrische WP 47 + solar, Mio. m³ 145 GW th load, total 508 load el. HP + solar load micro CHP + solar combined pow erto-gas methane cycle gas 57 turbine GW GW GuD- Kombikraftwerke 84 GW el micro-chp GW solar GW load gas gas-hp + solar 54 pump 48 GW solar 25 GW excess Gas-WP GW th

30 Ergebnisse Speichersysteme Medium photovoltaic 206 GW w ind onshore 170 GW w ind offshore 85 GW hydro pow er 5 GW import electricity 0 GW pumped battery pow er plant 7 Batterien 56 GWh 56 GWh 60 GWh Entspricht ca. 9 Mio. Speicherein- combined pow erto-gas methane cycle gas 57 heiten a 6 kwh turbine Pumpspeicherkraftwerke 60 GWh GWh stoarge, 69 GW GW Ca. jedes 2. Mio. m³ deutsche Ein- und 4 electrical biomass CHP pump 361 Zweifamilienhaus GW 186 stor GW solar m ) age 76 GW 368 fossil solar micro-chp 29 GW Dezentrale GW Wärmespeicher solar GW 0.00 Building energy retrofit Power-to-Gas 69 Gw Reduction of demand el on 50.0% of the 2010-value Speicherkapazität GWh Ca. 75 l pro kw 5 0 electrical load excess electricity export electricity Zentrale Wärmespeicher load CHP + solar, Ca saisonale Wärmespeicher (je gas pump Heizungssystem 48 GW solar 25 GW load, total 508 load el. HP + solar load micro CHP + solar load gas-hp + solar excess

31 Quelle: photovoltaik 12/2012;

32 PSPP = pumped power plant; CHP = combined and power Ergebnisse Strom in einer Winterwoche ( Medium )

33 Ergebnisse Strom in einer Frühjahrswoche ( Medium ) PSPP = pumped power plant; CHP = combined and power

34 PSPP = pumped power plant; CHP = combined and power Ergebnisse Strom in einer Sommerwoche ( Medium )

35 Ergebnisse Zeitlicher Verlauf der Gasspeicherung Referenz Größenordnung < 70 liegt weit unterhalb der verfügbaren Kapazität

36 Ergebnisse Zeitlicher Verlauf der Gasspeicherung Referenz und Extremszenario mit 4-wöchiger Windflaute Größenordnung < max. 140 liegt ebenso weit unterhalb der verfügbaren Kapazität

37 Ergebnisse Zusammensetzung Kosten ( Medium ) Wichtigste Kostenbeiträge

38 Ergebnisse - Kostenvergleich Net increase of energy cost (w/o inflation) 100 % EE RE System system Energy system based on fossile fuels

39 Ergebnisse - Kostenvergleich 100 % EE RE system Heutiges, auf fossilen Energieträgern Energy basierendes system based Energiesystem on fossile fuels

40 Ergebnisse - Kostenvergleich Nettozuwachs an Energiekosten (ohne Inflation) 100 % EE System Heutiges, auf fossilen Energieträgern basierendes Energiesystem

42 Ergebnisse Weniger als 100 % EE Optimalsystem für einen gegebenen Betrag an fossilen Energieträgern

51 Ergebnisse Stromimport Import of electricity cuts the demand peaks Erforderliche Kapazität von GuD- Kombikraftwerken Thus it leads to wird a significant erheblich reduction of reduziert needed capacity of combined cycle power plants No large energy import in annual balance

52 Ergebnisse Stromimport Erforderliche Kapazität von GuD- Kombikraftwerken wird erheblich reduziert Geringer Stromimport

53 Ergebnisse Stromimport Stromimport vermindert Spitzenbedarf Geringer Stromimport übers Jahr (~4 )

55 100 % für den gesamten Energiesektor? Heute In unserem Modell abgedeckt

56 100 % für den gesamten Energiesektor? Reduktion des Heizwärmebedarfs auf 50 % des Wertes aus 2010

57 100 % für den gesamten Energiesektor? Reduktion des Energiebedarfs der Industrie um 30 %

58 100 % für den gesamten Energiesektor? Strombasierte Mobilität (50 % H 2, 50 % Batterie) electricity based mobility

59 100 % für den gesamten Energiesektor? Reduktion des Stromverbrauchs (ohne Wärme und Mobilität) um 30 % electricity based mobility

60 100 % für den gesamten Energiesektor? Bedarf

61 100 % für den gesamten Energiesektor? Bedarf Bereitstellung Umwandlungs- und Übertragungsverluste

63 Zusammenfassung 1/2 100 % EE für Strom und Wärme sind möglich Wind Offshore GW (technisches Potential 85 GW) Wind Onshore GW (technisches Potential 200 GW) Faktor 6 7 im Vergleich zu heute Photovoltaik: GW Faktor 6 8 im Vergleich zu heute Solarthermie: GW Faktor im Vergleich zu heute Für Solartechnologien benötigte Flächen ca km² (technisches Potential >2800 km²) Energetische Gebäudesanierung: Reduktion des Heizenergiebedarfs um % Jährliche Gesamtkosten liegen zwischen 118 und 126 Mrd. für sinnvoll dimensionierte Gesamtsysteme Entspricht in etwa den Kosten des heutigen deutschen Energiesystems (ca. 120 Mrd. für Strom und Wärme)

64 Zusammenfassung 2/2 EE Anteil < 100 % führt zu Reduktionen in der erforderlichen Kapazität der Hauptwandler Insbesondere: kein Power-to-Gas für EE Anteil nötig < ca. 70 % 100 % EE für alle Sektoren einschließlich Industrie und Mobilität ambitioniert: nur möglich in Verbindung mit signifikanter Reduktion des Energiebedarfs in allen Sektoren Leistungsfähiges ganzheitliches Modell für Strom und Wärme und deren Interaktion einschließlich energetischer Gebäudesanierung Anwendungen Energieszenarien Technologiestudien: Leistung, Kosten,... und viele mehr

65 Fragestellungen, die über rein technische Aspekte hinausgehen Ressourcenverfügbarkeit: genug Ressourcen um als globales Modell zu dienen? Kompatibel mit anderen Zielen (z.b. Biodiversität)? Gesellschaftliche Akzeptanz? Implementierung Geschäftsmodelle für Investitionen und Betrieb: viel mehr Beteiligte als heute, neue Beteiligte aus unterschiedlichen Bereichen Modelle für Bürger-Beteiligung EE und Energieeffizienz: aber auch Suffizienz ( wieviel brauchen wir? )? FuE wichtig, um heutige Technologien weiterzuentwickeln FuE in Gesellschaftswissenschaften und Ökonomie essenziell Beteiligung, gesellschaftliche Prozesse Wohlstandsmodelle,

66 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Hans-Martin Henning