OPTIMIERTE ENERGIESYSTEMSZENARIEN FÜR FRANKFURT AM MAIN IM JAHR 2050

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Victor Bachmeier
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1 OPTIMIERTE ENERGIESYSTEMSZENARIEN FÜR FRANKFURT AM MAIN IM JAHR 2050 Gerhard Stryi-Hipp Annette Steingrube Jan-Bleicke Eggers Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 30. Mai 2015

2 Herausforderungen bei der Identifizierung eines optimierten nachhaltigen kommunalen Energiesystems Zielsetzung: hoher Anteil lokaler erneuerbarer Energien / Versorgungssicherheit zu jeder Stunde unter Berücksichtigung lokaler Bedarfsprofile! Individuelle Lösung für jede Stadt/Region Umsetzungszeiträume: Transformation benötigt Jahre, kurzfristig attraktive Lösungen können langfristig kontraproduktiv sein è Maßnahmen in naher Zukunft müssen sich auch am angestrebten Endzustand orientieren Komplexität künftiger Energiesysteme: fluktuierende Erzeugung, Speicher, Lastmanagement und enge Verzahnung Strom-Wärme-Mobilität!"Zeitliche Dynamik und Interdependenzen der Energiesystem-Sparten sind zu berücksichtigen 2

Individuelle Lösung für jede Stadt/Region Umsetzungszeiträume: Transformation benötigt 20-40 Jahre, kurzfristig attraktive Lösungen können langfristig kontraproduktiv sein è

3 Kommunale Energieszenarien Strom-Wärme-Mobilität Planungssicherheit durch neue Modellierungswerkzeuge Kennzeichen kommunaler nachhaltiger Energiesysteme: n hohe Anteile fluktuierender Solar- und Windenergie n dezentrale Erzeugung n Verzahnung Strom-Wärme-Mob. n Strom-, Wärme-, Gasspeicher è Identifizierung optimierter Zielenergiesysteme erfordert eine zeitlich hochaufgelöste Multispartenmodellierung Vorgehensweise: n Modellierung Zielsystem 2050 n Backwarding: Ableitung eines Fahrplans aus dem Zielszenario Energiesystem 2014 Modellierung Fahrplan robust, flexibel Backwarding Energiesystem

n Strom-, Wärme-, Gasspeicher è Identifizierung optimierter Zielenergiesysteme erfordert eine zeitlich hochaufgelöste Multispartenmodellierung

4 Schritte zum regionalen ENERGIEFAHRPLAN Standardisiertes Vorgehen für Kommunen/Regionen 1. Beschluss ENERGIEZIEL 2. Datenerhebung Nachfrage- und Angebotsprofile, erwartete Entwicklung 3. Simulation ENERGIESYSTEM SZENARIEN Mögliche Lösungen 4. Bewertung ENERGIESYSTEM SZENARIEN 5. Beschluss ZIEL- ENERGIESYSTEM 6. Entwicklung UMSETZUNGS- FAHRPLAN 7. Entwicklung MONITORING- KONZEPT 8. Beschluss ENERGIE- MASTERPLAN UMSETZUNG Leuchtturmprojekte Breitenmaßnahmen Regelmäßiges Monitoring Maßnahmen Stadtverwaltung und Bürger: Maßnahmen Experten/Beratungspartner: 4

Bewertung ENERGIESYSTEM SZENARIEN 5. Beschluss ZIEL- ENERGIESYSTEM 6. Entwicklung UMSETZUNGS- FAHRPLAN 7. Entwicklung MONITORING- KONZEPT 8.

5 Kommunales Energiesystem auf Basis erneuerbarer Energien REGION KOMMUNE Import/Export 5 Wind PV Wasser Solar wärme Geo thermie Biogas Holz Erzeuger Wind PV Wasser Solar Wärme Geo thermie Biogas Holz Erzeuger KWK WP Gas Holzhandel Stromnetz WP el H 2 -Beimischung Gasnetz PtH Nahwärmenetz Stromspeicher kurzzeit Wärmespeicher saisonal Gasspeicher saisonal Verteiler / Netzbetreiber * WP * el KWK * WP Gas * HK WP el./gas = Wärmepumpe elektisch / gasbetrieben, KWK = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkessel, Sp. = Speicher, SW = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung, PtH = Power to Heat Elys Meth H 2 CO 2 H 2 KWK PV Sp SW Sp SW Sp Verbraucher Verbrauchstyp i Erzeugertyp j Lokalisierung k Strombedarf Wärmeverbrauch netzgebunden Gebäudetyp i Heizungstyp j Lokalisierung k Wärmeverbrauch Insel Gebäudetyp i Heizungstyp j Lokalisierung k Wärmeerzeuger mit * sind alternativ (pro Gebäude ein Erzeuger), andere optional

WP Gas * HK WP el./gas = Wärmepumpe elektisch / gasbetrieben, KWK = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkessel, Sp.

6 Energiesystem-Modellierung mit»kommod«fraunhofer-ise entwickelt»kommod«zur Identifizierung kostenoptimaler Ziel-Energiesysteme für Städte und Regionen zur zeitlich hochaufgelösten, techno-ökonomische Optimierung von Strom, Wärme, Kälte und lokalem Verkehr Ergebnisse der Berechnungen mit KomMod n Kostenoptimale Struktur des Energiesystems n Optimale Betriebsweise der Anlagen n Anteile Energiequellen, notwendige Erzeugungs- und Speicherkapazitäten, Umfang Wärmenetze n Import und Export von Restenergiemengen n Invest- und Betriebskosten n Zusammenarbeit Stadt Region n Was wäre wenn: Variantenanalysen 6 KomMod = Kommunales Energiesystemmodell

Struktur des Energiesystems n Optimale Betriebsweise der Anlagen n Anteile Energiequellen, notwendige Erzeugungs- und Speicherkapazitäten, Umfang Wärmenetze n

7 Wie sich Frankfurt/Main im Jahr 2050 zu 95 % mit regionalen erneuerbaren Energien versorgen kann Auftrag: Wie kann sich die Stadt zu 100 % mit erneuerbaren Energien möglichst aus der Region im Jahr 2050 versorgen (für Strom, Wärme und lokale Mobilität)? Datengrundlage: Fraunhofer IBP Modellierungen: Fraunhofer ISE Ergebnis: Eine Vollversorgung mit erneuerbare Energien ist möglich bei Nutzung der Wind-, Biomasseund PV-Potenziale aus der Region. Aber: Import von 10% Reststrom und die Einbeziehung von Wind-/ Biomasse- Potenzialen aus Hessen ist sinnvoll, da deutlich kostengünstiger. n Maßnahmen: 1. Deutliche Effizienzsteigerung (Erzeugung, KWK, Verbrauch) 2. Maximale Nutzung lokaler erneuerbarer Energien 3. Energiekooperation mit Region 4. Smarte Lösungen: Smart Grid, Speicher, Elektromobilität,... 7

Datengrundlage: Fraunhofer IBP Modellierungen: Fraunhofer ISE Ergebnis: Eine Vollversorgung mit erneuerbare Energien ist möglich bei Nutzung der Wind-, Biomasseund PV-Potenziale aus der Region.

8 Zeitlich aufgelöste Darstellung der Simulationsergebnisse Beispiele aus typischen Wochen im Frühjahr und Herbst 1 Woche im Frühjahr 1 Woche im Herbst Stromversorgung Wärmeversorgung 8

9 Frankfurt/M. 2050: 95 % regionale erneuerbare Energien Ergebnis einer zeitlich hochaufgelösten Simulation des Energiesystems (Stundenauflösung). Berücksichtigte Potenziale: Alle Potenziale der Stadt, erneuerbare Energien und Abfall Potenziale der Region zu 50 % und 11,6 % des Hessenpotenzials von Wind und Biomasse (Bevölkerungsanteil), 90 % Eigenerzeugung bei Strom (inklusive EE-Strom aus der Region) und 100 % bei Selbstversorgung mit EE-Wärme Hessen Region»FrankfurtRheinMain«Wind PV Wasser Erzeugung im Stadtgebiet 22% 20% 84% 0,4% Export - 18% Quar@er Import 10% Strom 24% Gebäudeebene Stromspeicher 2,0 GWh 5% - 5% Stadtgebiet Frankfurt am Main 4964 GWh 100% Verbraucher Lokale Mobilität 17% Effizienz: Reduzierung des Energiebedarfs 2012 bis 2050 Von Treibstoffen + Strom zu Elektromobilität only - 79% Abfall Feste Biomasse Biogas 23% 17% 6% KWK KWK KWK KWK Heiz- kessel Wärme- pumpe Haushalte 9% 21% GHD 32% 18% - 64% - 72% - 53% - 78% Kreisflächen proporxonal zum Energie- beitrag Solar- thermie Alle Daten Endenergie Gesamterzeugung 9759 GWh Nah- wärme 41% und Industrie 12% 22% Wärme 36% Wärmespeicher 2,3 GWh 5276 GWh 100% Industrie 42% 61% - 11% - 10% 9

Eigenerzeugung bei Strom (inklusive EE-Strom aus der Region) und 100 % bei Selbstversorgung mit EE-Wärme Hessen Region»FrankfurtRheinMain«Wind PV Wasser Erzeugung im Stadtgebiet 22% 20% 84% 0,4%

10 Frankfurt/M. 2050: 95 % regionale erneuerbare Energien Energiemix mit Energiebeiträgen und installierten Leistungen Erzeuger Strom Wärme Inst. Leistung Biogas BHKW 4% 4% 81 MW el / 72 MW th Feste Biomasse HKW 10% 9% 124 MW el / 99 MW th Feste Biomasse Heizkessel - 11% 271 MW th Klärgas HKW <1% 1% 15 MW el / 19 MW th Abfall HKW 9% 31% 131 MW el / 392 MW th Photovoltaik 32% MWp Wind 34% MW Wasser <1% - 6 MW Solarthermie - 22% 1470 MW Wärmepumpen - 21% 378 MW Import in Stadtgebiet 10% - Elektr. / therm. Speicher 2036 MWh el / 2594 MWh th Stromgestehungskosten 12,0 ct/kwh [HKW = Heizkraftwerk] 10

1% 15 MW el / 19 MW th Abfall HKW 9% 31% 131 MW el / 392 MW th Photovoltaik 32% - 2003 MWp Wind 34% - 1624 MW Wasser <1% - 6 MW Solarthermie - 22% 1470

11 Stromimportbedarf - Maximalwerte Bedarf elektrische Leistung: Jahresdurchschnitt: 596 MW, Maximum: 956 MW Import elektrische Leistung: Jahresdurchschnitt: 59,6 MW (=10%), Maximum: 581 MW 700 Stromimport nach Frankfurt in Stundenauflösung über ein Jahr (Szenario 10% Stromimport) [MWh/h]

Stromimport) 600 500 [MWh/h] 400 300 200 100 0 1 170 339 508 677 846 1015 1184 1353 1522 1691 1860 2029 2198 2367 2536 2705 2874 3043 3212

12 Wöchentlicher Stromimportbedarf im Jahresverlauf Stromimportbedarf besteht zwar auch im Winter, allerdings viel stärker im Sommer, da dann die Heizkraftwerke mangels Wärmebedarf eine geringere Laufzeit aufweisen. Stromimport nach Frankfurt pro Woche über ein Jahr (Szenario 10% Stromimport) Durchschnittlicher Bedarf pro Woche: Strombedarf: 100 GWh, Importbedarf : 10 GWh Maximaler Importbedarf pro Woche: 26 GWh [MWh/Woche]

Stromimport nach Frankfurt pro Woche über ein Jahr (Szenario 10% Stromimport) 30000 25000 Durchschnittlicher Bedarf pro Woche:

13 Zusammenfassung n n n 13 Ein nachhaltiges Energiesystem wird (kosten)-effizient erreicht durch: Zielsetzung, Zielszenarien und Umsetzungsfahrplan Zeitlich hochaufgelöste Modellierung von Energieszenarien (Strom, Wärme, Mobilität) ermöglicht die Identifizierung optimaler Zielsysteme Nachhaltige kommunale Energiesysteme sind geprägt durch: - hohe Effizienz und lokaler Mix an erneuerbaren Energien (EE) - Zusammenarbeit mit der Region (Bezug von EE) n Frankfurt am Main kann sich im Jahr zu 100% mit EE aus Stadt und Region versorgen, dies erfordert allerdings hohe Speicherkapazitäten und führt zu hohen Kosten - zu bezahlbaren Kosten zu 95% mit EE aus der Stadt, der Region und dem Bundesland versorgen n Fraunhofer ISE unterstützt Städte und Kommunen durch Berechnung von Ziel-Energiesystemen, Entwicklung von Umsetzungsfahrplänen, Realisierung von Pilotprojekten und Umsetzungs-Monitoring

erneuerbaren Energien (EE) - Zusammenarbeit mit der Region (Bezug von EE) n Frankfurt am Main kann sich im Jahr 2050 - zu 100% mit EE aus Stadt und Region versorgen, dies erfordert allerdings hohe

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Gerhard Stryi-Hipp, Annette Steingrube, Jan-Bleicke Eggers 14

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