Analyse der Wärme- und Elektrizitätsversorgung des deutschen Wohngebäudesektors in einem optimierenden Energiesystemmodell

Transkript

1 Lehrstuhl Analyse der Wärme- und Elektrizitätsversorgung des deutschen Wohngebäudesektors in einem optimierenden Energiesystemmodell Symposium Energieinnovation, Graz, Februar 2012 Erik Merkel, Daniel Fehrenbach, Russell McKenna, Wolf Fichtner KIT -Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Agenda Motivation Modellaufbau Methodische Umsetzung Beispielhafte Ergebnisse Fazit und Ausblick 1/

3 Motivation Elektrizitätssystem Wärmesystem (Haushalte) thermischer Kraftwerkspark (Kernkraft, Braunkohle, Steinkohle, Gas,...) konventionelle objektbasierte Wärmeversorgung (Gaskessel, Ölkessel,...) Erneuerbare Energien Fernwärme Kleine KWK Mikro-KWK Kleine KWK Wärmepumpen Umfassende Netzstruktur Zentralisierte Produktion Abstraktion von Netzinfrastruktur Aggregierte Nachfrage 2/ Netze begrenzter Reichweite Hauptsächlich objektbasierte Versorgung Heterogenität Nachfrageklassifizierung

4 Modellaufbau - Gesamtsystem Primärenergie Endenergie Passive Wärmeeffizienz technisch Alter Wir.grad Verfügb. Elektrizität Wärme wirtschaftlich Investition Fixe Ausg. Var. Ausg. EFH Einfamilienhaus GMH Mehrfamilienhaus HH Haushalte Energieträger Öl.. Holz Dämmung Gaskessel.. Mikro-KWK.. Wärmepumpe thermischer Kraftwerkspark Thermische Speicher Zuordnung Wärmeversorgungsanlagen Wärmenachfrageklassen Gedämmte EFH.. Ineffiziente GMH Wärmesystem: HH GuD. Entnahmekond Erneuerbare Energieträger EE-KW Leitung elektrische Nachfrage Sonne Wind Wasser Biomasse Umweltwärme Photovoltaik Windkraft (On-/Offshore) Laufwasser-KW Biomasse-KW Geothermie Elektrizitätssystem: alle Sektoren 3/

5 Methodische Umsetzung Umsetzung in optimierendem Energiesystemmodell (TIMES) Planungszeitraum: Entscheidungsvariablen: Kraftwerksausbau- und einsatzplanung in Elektrizitätsund Wärmesystem Zielfunktion: Minimierung der diskontierten Systemausgaben Nebenbedingungen: Bilanzgleichungen, Kapazitätsrestriktionen usw. 4/

6 Methodische Umsetzung Modellierung der Nachfrage Nachfrage EFH VKN Gasnetz RW Fernwärmenetz TWW ZFH VKM Festbrennstoffe Andere KMH VKH GMH Gebäudegrößenklasse Verbrauchsklasse Infrastrukturklasse Anwendung 5/

7 Methodische Umsetzung Zuordnung Nachfrage-Technologieoptionen 1. energetisch: Technologien zu Leistungsklassen (LK) MWhth/a PCl1 PCl2 PCl3 PCl5 PCl4 MWh/ (Geb*a) Durch. Jahresheizwärmebedarf VKN VKM VKH 1EFH ZFH KMH MFH LK JHWB [MWh th ] LK [kw th ] LK LK LK LK LK infrastrukturell: Technologien zu Infrastrukturklassen Möglichkeit des Gasnetzanschlusses Möglichkeit des Fernwärmenetzanschlusses Reduktion der Zuordnungsmatrix von 864 zu 514 Kombinationsmöglichkeiten von Technologie und Nachfrageklasse 6/

8 Methodische Umsetzung Zuordnung Technologieoptionen zu Nachfrage 96 Nachfrageklassen 45 Technologieoptionen 7 /

9 Methodische Umsetzung Zeittypisierung FR SO HE WI Mo Di Mi Do Fr Sa So /

10 Beispielhafte Ergebnisse Rahmendaten und Annahmen Absenkung des jährlichen Bedarfs an RW und TWW von ca PJ im Jahr 2010 auf 1600 PJ im Jahr 2050 im Sektor der privaten Haushalte konstante Stromnachfrage über alle Sektoren bis 2050 Vorgegebener Ausbaupfad von Kraftwerken auf Basis erneuerbarer Energieträger Energieträgerpreisentwicklung gemäß BMWi (2010) Keine Investitionsreduktionen der Energieumwandlungstechniken des Wärmesystems im Zeitverlauf ( Technikoptimismus -Szenarien vorbehalten) 9/

11 Beispielhafte Ergebnisse Kapazität von Energiewandlungstechniken des Wärmesystems bis Kumulierte installierte Kapazität [GW th ] Gaskessel Ölkessel BHKW Holzofen Fernwärme Wärmepumpe Stirlingmotor Pelletofen Solarthermische Anlage 10/

12 Beispielhafte Ergebnisse CO 2 -Ausstoß bis CO 2 -Ausstoß [Mt] nach Fritsche 2007 nach Struschka et al /

13 Fazit/Ausblick Fazit Integriertes Modell der Wärme- und Elektrizitätsversorgung des deutschen Wohngebäudesektors Zubau von Mikro-KWK von ca. 11 GW th (überwiegend bei MFH) Zubau von Wärmepumpen von ca. 50 GW th Ausblick Integration weiterer Teilsysteme (GHD, Industrie) Implementierung leitungsgebundener Wärmeversorgung Untersuchung des Verbundsystems von KWK, Wärmepumpen und thermischer Speicher hinsichtlich dessen Potenzial zum Lastmanagement fluktuierender Energieeinspeisung 12/

14 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 13/

15 Literaturverzeichnis BMWI BUNDESMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT UND TECHNOLOGIE UND BMU BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT (HRSG.): Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung; BMWi, Berlin BMWI BUNDESMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT UND TECHNOLOGIE: Energiedaten - nationale und internationale Entwicklung (Gesamtausgabe); Zahlen und Fakten; BMWi Referat III C 3, STATISTISCHES BUNDESAMT (HRSG.): Bautätigkeit und Wohnungen: Mikrozensus - Zusatzerhebung 2006 Bestand und Struktur der Wohneinheiten, Wohnsituation der Haushalte; Fachserie 5, Heft 1; Statistisches Bundesamt, Wiesbaden STATISTISCHES BUNDESAMT (HRSG.): Gebäude und Wohnungen - Bestand an Wohnungen und Wohngebäuden, Abgang von Wohnungen und Wohngebäuden, Lange Reihen ab ; Statistisches Bundesamt, Wiesbaden AGFW ARBEITSGEMEINSCHAFT FERNWÄRME E.V.: Strategien und Technologien einer pluralistischen Fern- und Nahwärmeversorgung in einem liberalisierten Energiemarkt unter besonderer Berücksichtigung der Kraft-Wärme-Kopplung und regenerativer Energien, Hauptstudie, zweiter Bearbeitungsschritt, Band 1; AGFW, Frankfurt am Main /

16 Back up 15/

17 Motivation Objectives of the German government in the buildings sector: Until 2050: Reduction of primary energy needs by 80% almost climate-neutral building portfolio Doubling of the energy-saving renovation rate (from 1% to 2%) Until 2020: Reduction of heat requirement in buildings by 20% CHP share of electricity of 25% until 2020 Source: German Government s Energy Concept /

18 Objectives Extension of existing electricity system models to include a detailled mapping of heat supply Analyze the possible future development of the national heat supply system to reach national energy policy targets Determine economic potential for technologies at the heat/power interface Here: micro-chp, heat pumps and heat storage devices Identify suitable areas of application for heat technologies, depending on: Existing infrastructure Types of buildings Building sizes Regions 17/

19 Status quo of heat requirement in buildings (1) [PJ] [PJ] [PJ] Source: BMWi /

20 Status quo of heat requirement in buildings (2) Important factors for heat demand in households: Building size (GGK) and floor space in m 2 Age of buildings > Insulation > Specific consumption in kwh/m 2 (User behaviour, owner/tenant) [Mio. m²] One-family EFH Semi-detached ZFH Smalll KMHmulit- familiy house Multi-familiy GMH house house Gebäudetypen house [thousands] [tsd.] Quelle: IWU 2007 Rel. frequency of living space in % Area-specific annual consumption in kwh/m 2 (interval width 20 kwh/m 2 ) Wohnfläche [Mio. m²] Living space [mio. m 2 ] Anzahl WE [tsd.] Number AU [thousands] Figure 6: Area-specific annual consumption for space heating and hot water (mere residental buildings and mixed use, all ages Source: IWU 2007 actually a continuous distribution Source: AGFW /

21 Modellaufbau - Gesamtsystem SK-Kraftwerk Fossile oder erneuerbare ET Elektrizität fossile Energieträger Bestand Zubau Gas Öl Steinkohle Braunkohle Uran AKW Bestand Import elektrische Nachfrage BHKW Zubau Photovoltaik Leitung Netto-Verbrauch Eigenverbrauch Übertragungsverluste Kalibrierung Erneuerbare Energieträger Sonne Wind Wasser Biomasse Umweltwärme Bestand Zubau Geothermie Pumpspeicher Bestand Zubau Wärmepumpe Bestand Zubau Elektrizitätssystem Wärmesystem 20/

22 General modelling approach spec. Inv. η [ /kw] and and spec. maintenance σ [ ] /(kw.a)] Frequency [%] I II III Power [kw] I II III Power [kw] Total annual Heat requirement [MWh] I II III Idealised class formation according to distribution of total annual heat requirement per building Total annual heat requirement [MWh] I II III Demand/power classes [kw] Practical implementation by means of building size and average requirement values 21/

23 General modelling approach Distribution of Building Specific Heat Demand MWh/ (B*a) Average Building consumption 1CnClL 2CnClM 3CnClH 1SFH TFH SMH LMH /kw th Parameterisation of Power Classes Techno-Economic Parameterisation of Technologies: Example of specific Investment PCl Allocation to Power classes BHtCn[MWhth] PCl[kWth] PCl PCl PCl PCl PCl ,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 01GASB 02OILB 03MCHP 04WDST 06HTPP kw th 22/

24 Motivation for infrastructure classes Residential sector heating District heating system available District heating Gas tank Gas distribution system available Gas heating Solid fuel heating Oil heating 23/

25 Zeittypisierung: Mittelung vs. Stichprobe 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Quelle: Eigene Berechnungen auf Datenbasis von Trnsys, Amprion, ENBW, Transpower, 50 Hertz, ENTSO-E 216WISA21 221WISO12 001FRMO0 006FRMO15 011FRDI6 016FRDI21 021FRMI12 026FRDO3 031FRDO18 036FRFR9 041FRSA0 046FRSA15 051FRSO6 056FRSO21 061SOMO12 066SODI3 071SODI18 076SOMI9 081SODO0 086SODO15 091SOFR6 096SOFR21 101SOSA12 106SOSO3 111SOSO18 116HEMO9 121HEDI0 126HEDI15 131HEMI6 136HEMI21 141HEDO12 146HEFR3 151HEFR18 156HESA9 161HESO0 166HESO15 171WIMO6 176WIMO21 181WIDI12 186WIMI3 191WIMI18 196WIDO9 201WIFR0 206WIFR15 211WISA6 Lastprofil Elektrizität Lastprofil Lastprofil Elektrizität Lastprofil Raumwärme Elektrizität Lastprofil Einspeiseprofil Raumwärme Elektrizität Lastprofil Wind Raumwärme Einspeiseprofil Wind PV und Solarthermie 24 /

26 Formation of infrastructure-related demand classes Demand classes Technology options - matrix m Technology options classes = m 1 Technology classes x m 2 Power classes n Demand classes = n 1 Building size classes x n 2 Infrastructureclasses Demand classes/ Technology options -matrix [ n x m ] (binary) Storage for each heat demand 25/

27 Load curve structure 8760 chronological values are allocated to 96 time-slices 26/

28 Method: linear optimization under constraints (LP) Objective function: Input: Load profiles Technically-economically characterized technologyoptions Mapping of the energy system as flow chart Minimization of the discounted total system costs: Energy carriers Facilities Maintenance and repair Constraints: Conversion relationship (e.g. efficiency values) Mass and energy balances Quantity restrictions... Output/Results: Investments in production capacity Process activities (e.g. power plant operation) Costs Restrictions of the methodology: Overall system point-of-view Perfect foresight 27/

29 First results 28/

30 Critical reflection of the approach Temporal standardisation >> Undersizing >> Peaking factors Factors that influence the specific heat demand: user behaviour, building stock, age of buildings But demand classes overlook these aspects System perspective overlooks subsidies and thus operator motivation Constant demands and building stock >> under development a_winter b_spring c_summer d_autumn Sum of space heat Sum of hot water 29/

31 Techno-economic characterisation Investment proportions k Tank/Brennstofflager / fuel deposit Gas-/Elektroinstallation / electrical installation Baukosten Construction costs Anschlusskosten/Baukostenzuschuss Set-up costs / construction costs subsidy Schornstein Chimney bzw. resp. LAS-Dachdurchführung roof lead-through Leitungssystem/Heizflächen Pipe system / heat surfaces Warmwasserspeicher Hot water tank (150/200/ /200/300Liter litres) Wärmeerzeuger Heat generator incl. incl. Regelung control CB: Condensing boiler ; LTB: Low-temperature boiler ; HP: heat pump 30/ Source: IER Heizkostenvergleich, 2008

32 Externe Infrastruktur = Brennstoff Systemgrenze entspricht Gebäudehülle: Source: 31/

33 Externe Infrastrukturabhängigkeiten und Wechselmöglichkeiten Ableitung Wechselmatrizen für externe Infrastruktur Logik: alles möglich aber mancher Wechsel sind unwahrscheinlich Externe Infrastruktur (Brennstoff) und Wechselkostenanteile Zu >> Gas Öl Voraussetzung Von Nur wo Gasnetz liegt, oder Tank Andere (inkl. Fest und Erneuerbare) Fernwärme Fernwärme liegt (Verdichtung) od. ausgebaut werden könnte (Erweiterung) Gas Unwahrscheinlich ggf. Tankentsorgung, Brennstofflagerung Anschluss, Übergabesstation Öl Tankentsorgung, Gasanschluss oder Tank ggf. Tankentsorgung, Brennstofflagerung Anschluss, Übergangsstation Andere (inkl. Fest und Erneuerbare) ggf. Tankentsorgung, Gasanschluss oder Tank Tankanschaffung Brennstofflagerung (Wechsel) Anschluss, Übergangsstation Fernwärme Gasanschluss oder Tank Unwahrscheinlich Unwahrscheinlich Source: 32/

34 Interne Infrastruktur = Art der Technik (Zentralitätsgrad) Systemgrenze entspricht Gebäudehülle: Source: 33/

35 Infrastrukturabhängigkeiten und Wechselmöglichkeiten Ableitung Wechselmatrizen interne Infrastruktur Logik: nur Zentralisierung möglich Interne Infrastruktur (Technik) und Wechselkostenanteile Zu >> Fernwärme Block/Etage/Zentral Einzel- u. Mehrraumöfen Stromheizung Voraussetzung Nur wo Fernwärme liegt (Verdichtung) oder ausgebaut werden könnte (Erweiterung) Von Fernwärme Schornstein, Gas/Öl Anschluss oder Tank, Raum usw. X X Block/Etage/Zentral Entsorgung vorhandener Anlage ggf. Brennstoffwechselk osten x X Einzel- u. Mehrraumöfen Entsorgung vorhandener Anlage Schornstein, Gas/Öl Anschluss oder Tank, Raum, ggf. Brennstoffwechsel usw. ggf. Brennstoffwechs elkosten X Stromheizung Anschluss, Entsorgung Stomheizung Schornstein, Gas/Öl Anschluss oder Tank, Raum, ggf. Brennstoffwechsel usw. Schornstein, Gas/Öl Anschluss oder Tank, Raum, ggf. Brennstoffwechs el usw. x Source: 34/

36 Reference Energy System Graph Source: 35/

37 Reference Energy System Graph Source: 36/

38 Modellendogene Auslegung: Aufbau und Annahmen Motivation Source: Optimierung des Wärmesystems im Zusammenhang mit dem Stromsystem Annahmen Kleines Mehrfamilienhaus (ca. 6 Wohneinheiten) Wärmebedarf 120 MWh/a ( Liter Heizöl) 100 MWh Raumwärme, 20 MWh Warmwasser Wärmelastkurven nach BTU Cottbus, 72 kw th Spitzenlast Technisch-wirtschaftliche Eckdaten für Kessel, BHKW und Pufferspeicher Strombedarf kwh, Lastkurve nach UCTE, Möglichkeit des Stromfremdbezugs Strompreis, Gaspreis 37/

39 Modellendogene Auslegung: Ergebnisse im Zeitverlauf Sum of BHKW Produktion (Strom + Wärme) Sum of GASKESSEL Produktion Sum of SPEICHER Ladezustand Sum of SPEICHER Ladung/Entladung 0 Sum of Wärmenachfrage (RW + WW) WD WE WI Source: 38/

40 Modellendogene Auslegung: Ergebnisse und Erkenntnisse Pufferspeicher M89_WI_WE_8 M82_WI_WD_1 N95_WI_WE_2 L79_WI_WD_1 N93_WI_WE_1 M88_WI_WE_6 L70_AU_WE_1 K66_AU_WE_1 K67_AU_WE_1 K68_AU_WE_1 K69_AU_WE_1 E10_SP_WD_1 E11_SP_WD_2 F23_SP_WE_2 E19_SP_WE_1 H46_SU_WE_1 F21_SP_WE_1 F28_SU_WD_6 N96_WI_WE_2 M84_WI_WD_2 G31_SU_WD_1 G35_SU_WD_2 G33_SU_WD_1 L72_AU_WE_2 G36_SU_WD_2 M86_WI_WE_2 I51_AU_WD_4 G39_SU_WE_4 H49_AU_WD_0 G37_SU_WE_0 E14_SP_WE_2 K61_AU_WE_0 kw Gaskessel BHKW geordnete Zeitscheiben Ergebnisse Source: Auslegung: Gaskessel 28 kw th, BHKW 7,5 kw th, Rest über Pufferspeicher Speichergröße: 6000 Liter ( 280 kwh) Überhöhter Strompreis notwendig, damit BHKW einbezogen wird Erkenntnisse Einfluß der Zeittypisierung auf das Optimum? Widerspruch zwischen formaler technisch-wirtschaftlicher Optimierung und Auslegung in der Literatur 39 /

41 Erste Ergebnisse (1) 40/

42 Erste Ergebnisse (2) /

43 Weitere Ergebnisse (1) 42/

44 Weitere Ergebnisse (2) 43/

45 Beispielhafte Ergebnisse installierte Kapazität [MW] Summe von 2000 Summe von 2005 Summe von 2010 Summe von 2015 Summe von 2020 Summe von 2025 Summe von 2030 Summe von 2035 Summe von 2040 Summe von 2045 Summe von 2050 WEFF SOLT PELL STIR WPMP FWAE HLZO BHKW OELK GASK /

46 Komplexität 18:00 25,000,000 16:00 14:00 20,000,000 [hh:mm] 12:00 10:00 08:00 06:00 15,000,000 10,000,000 [Anzahl] 04:00 5,000,000 02:00 00:00 0 Laufzeit Matrixkoeffizienten ungleich 0 Modellerweiterung: Verfeinerung der zeitlichen Auflösung, Integration Teilsysteme 45/