Holistic Modelling and Analysis of a Future German Energy System

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1 Holistic Modelling and Analysis of a Future German Energy System Hans-Martin Henning Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg Solar 25 Workshop Imperial College London January 27, 214

2 Outline Introduction Methodology Results Summary & conclusions

3 Outline Introduction Methodology Results Summary & conclusions

4 Long term goals of German government (25) Overall Reduction of greenhouse gas emissions by 8 % to 95 % (compared to 199 Cutting the total primary energy demand by 5 % (compared to 28) Renewable energy fraction of 6 % of gros final energy demand Electricity Reduction of consumption by 25 % (compared to 28) Renewable energy fraction of 8 % in electricity production Building sector Almost carbon neutral building sector Reduction of primary energy by 8 %

5 German greenhouse gas emissions German energy-related CO 2 emissions (211): 2 % of Europe 2.5 % of world our study

6 Introduction Guiding questions of our analysis Is it possible to cover the German energy demand with a large share of renewable energies? If yes: what is the best composition of such energy system? And what is its cost? Long term perspective on macro-economic level Approach Model of overall energy system based on hourly energy balance Generic optimizer optimum composition and sizing of all components Minimum of total annual cost (re-investment, maintenance, operation, financing)

7 Outline Introduction Methodology Results Summary & conclusions

8 Optimization of the German future energy system based on hourly modelling erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 6 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 5 Gasturbine 43 GWel Erdgas 4 GWel 1 GW 43 W-Speicher GWh 6 WP zentral 2 35 H2-Speicher GuD-KW 11 GWth Biomasse 7 GW 38 Gebäude 74 Solarthermie 26 Sabatier Methan-Sp. 47 GWth Wärmenetze mit. GWgas GuD-KWK Renewable Energy Model Deutschland REMod-D Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 1 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 18 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 6 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 177 GWh % Wert 21 1 % 2 Mini-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie 17 GWth Gebäude 12 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh GWth GWh Solarthermie 21 GWth Gebäude 126 Gaskessel GWth Gebäude.5 Geothermie 2 GWth 5 Gebäude 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

9 Optimization of the German future energy system based on hourly modelling erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Electricity generation, storage and end-use PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Renewable Energy Model Deutschland REMod-D 6 Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 6 GWh Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 5 Gasturbine 43 GWel Erdgas 4 GWel 1 GW 43 W-Speicher 82 Mobility 714 GWh 6 WP zentral GuD-KW 11 GWth H2-Speicher Biomasse 7 GW 38 Gebäude (electric, H 2, 74 Solarthermie 26 Sabatier Methan-Sp. 47 GWth Wärmenetze mit. GWgas GuD-KWK Fuels (including biomass and hydrogen and methane from RE Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 1 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 18 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Industry 6 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 177 GWh % Wert processes 21 1 % 2 Mini-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 17 GWth 12 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh GWth GWh Heat (buildings, including storage Solarthermie 21 GWth Gebäude 126 Gaskessel GWth Gebäude.5 Geothermie 2 GWth 5 Gebäude 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe fuels) and heating networks) Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

10 Electricity production Renewables Complementary electricity production Wind onshore Conventional power plants Wind offshore Photovoltaics Combined heat and power (different sizes) Combined cycle power plants Hydropower

11 Heat supply Using electricity Using fuel Electric heat pumps (Condensing) boilers Direct heating (only surplus electricity) Gas heat pumps Solar thermal (decentralized or disctrict heating grids) Combined heat and power (different sizes)

12 Long-term mobility concepts (individual cars) Battery + High efficiency Short range No long-term storage Hydrogen + Long range + Long-term storage option Lower Efficiency

13 Energy storage Electricity Heat Pumped hydro Batteries Large hot water (district heating network) Chemical (power-to-gas) Hydrogen Small buffers in buildings Methane

14 PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 146 GW 135 GW 38 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 41 GWel 85 H2-Speicher 3 82 Erdgas Biomasse Sabatier 2 Methan-Sp..5 GWGas Batterien 39 GWh 8 Brennstoffe Gasturbine 1 GW GuD 26 GW 2 Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzer Strom (Abregelung) KWK-BHKW 1 1 GWel Solarthermie 12 9 W-Speicher 1 W-Speicher 13 GWth 9 GWh Verkehr 16 GWh 8 (ohne Schienenverkehr/Strom) WP zentral 1 Wasserstoff-basierter Verkehr GWth Gas-WP 7 73 Gebäude 82 Traktion 41 1 Gebäude 31 GWth 82 H2-Bedarf 82 2 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 1 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 8 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 256 GWh %-Wert 21 1 % 29 KLein-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 24 GWth 143 Industrie und Gewerbe Gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 9 Wärmebedarf gesamt 461 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 63 GWth 296 GWh GWth 3 GWh Solarthermie Gebäude 2 Gaskessel 2 2 Gebäude.3 Geothermie 3 Gebäude 27 GWth GWth 2 1 GWth 3 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe 9 Pump-Sp-KW 7 6 GWh 4 Einzelgebäude mit Gaskessel KWK-GuD GWel 46 W-Speicher 575 GWh WP zentral GWth 25 Gebäude 64 Solarthermie 2 37 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Optimization approach Assumptions CO 2 emissions available amount of fossil energy sources Basic electricity demand Optimizer minimize total annual cost Results Installed capacity of energy converters Process energy in industry Size of storages Total energy demand for mobility; composition of technologies for vehicles Available biomass Installed capacity of conventional power plants erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Range of building energy retrofit Heating technology mix (including district heating networks)

15 Major boundary conditions for analysis Long-term sustainable biomass potential 335 Long-term mobility demand remains on today s level 3 % battery (short distance individual, urban) 3 % hydrogen + fuel cell (long distance individual, urban public) 4 % fuel (heavy load and aviation) Constant energy demand of industry (as for last 2 years) Long-term cost of all components (most values based on IEA energy technology outlook 212)

16 Outline Introduction Methodology Results Summary & conclusions

17 Optimized system erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Cost optimized system for a reduction of energyrelated CO 2 emissions by 81 % (compared to Kyoto reference) Reduction of space heating demand of building sector by 6 % compared to today PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 6 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh 7 WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Gebäude 6 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

18 Electricity balance Gros electricity generation 634 (average of years : 622 ) Type % Technology % PV % Fluctuating renewables Combined heat & power (CHP) Conventional power plants % % % Wind Onshore % Wind Offshore % Hydro power (run-of-river) % Small CHP (single buidlings) % Large high efficient CHP (heat grids) % Medium sized CHP (heat grids) % Hard coal % Soft coal % Gas fired combined cycle 3.4.5% Net electricity consumption 62 (today about 51 ) % Use % Classical loads % Artificial lighting, mechanical, etc % Heat % Mobility % Electric heat pumps % Heating rods % Production of hydrogen % Battery charging %

19 Heat decentralized erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien centralized PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel Biomasse 82 H2-Speicher Treibstoff 22 Verkehr Solar thermal Sabatier Methan-Sp.. GWgas 42 GW th 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion Strombedarf GWth Wärmenetze mit BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Heat pumps Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in CHP in heat networks 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude 22 Einzelgebäude th mit (el., Sole-Wärmepumpe brine) 42 Solarthermie 25 6 GW el installed 4 GWth 26 Brennstoffe GW th (elektr., 4 air) capacity 6 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 15 GW 19 GWth th (gas) 15 GW 87 GWh 14 GWth 56 GWh th centralized heat pumps Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth Solar thermal 4 GW th 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

20 Storage erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Battery storage (3 kwh) Elektrolyse Number Appr.8 33 GWel Mio Units Total capacity GWh Equ. full cycles H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Pumped storage power plants Number 7 42 Units Total capacity 6 GWh Equ. full cycles Electrolysers Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion Strombedarf GWth Wärmenetze mit BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Centralized heat storage (5. m³) 4 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Number 6 Appr.15 Units Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt Total capacity 346 GWh 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Equ. full cycles 14 - Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 Total capacity 33 GW el Full load hours 2485 h Only needed for mobility (not for electricity and heat sector) Decentralized heat storage (8 Liter) Number Appr.7 Mio Units Total capacity 319 GWh Equ. full cycles Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

21 Annual energy balance () Renewable energy fraction for primary energy: 66 % Primary energy demand appr. 5 % of todays value Reduction of CO 2 emissions of the energy sector (ref. year 199): 81 %

22 Residual load, GW Residual load 25 Minimum (GW) Maximum (GW) Electricity from fluctuating RE 3 22 Load Residual load Hour of the year

23 Utilization of negative residual load

24 Cost comparison (billion /a) Total cost in 25 (excl. taxes, fees and profits)

25 Cost comparison (billion /a) Total cost in 25 (excl. taxes, fees and profits) Total cost in 28 (incl. taxes, fees and profits) Operation cost, taxes, service fees, profits Domestic resources (mainly soft coal) Import of fuels + nuclear

26 Solar, wind [Gw el ] Electrolysis, sabatier [Gw el ] Capacity of solar and wind versus CO 2 reduction target % 81% 82% 83% 84% 85% reduction of CO 2 emissions (reference 199) Photovoltaik Wind onshore Wind offshore Elektrolyse Sabatier

27 Outline Introduction Methodology Results Summary & conclusions

28 Conclusions Reduction of consumption, efficient conversion and renewables are the pillars to achieve long-term greenhouse gas emission targets Under German conditions wind and solar are the key renewable energy sources Electricity will play a dominant role in the future energy system Flexibilization of residual electricity production and use of energy is indispensable in order to be able to install the needed capacity of (fluctuating) renewable energy converters Residual electricity production most favourable by medium and large capacity CHP plants connected to district heating networks Heat pumps play a dominat in the heat supply for buildings Solar thermal energy covers about 15-2 % of the low temperature heat demand

29 Transition phases of energy systems towards RE Phase 1 (completed) Mainly installation of renewable energy technologies (e.g. wind, PV) without major changes of the overall system Phase 2 (ongoing) Conversion of overall system Increased flexibilization on supply and demand side important Natural gas important Implementation of short term storage Business models for storage and complementary electricity production Push efficiency and saving Phase 3 Implementation of long term storage Increased replacement of natural gas by synthetic fuels from RE

30 Summary Secure energy supply with a dominating part of renewable energies possible (using only domestic RE ressources) Pre-conditions are reduction of consumption (e.g. building sector, basic electricity) and efficient conversion (e.g. industry, mobility) Total annual cost in same range as today s cost for today s energy system, once transition has been made and components went through their learning curve In long-term perspective cost lower than today because of expected increase of prices for fossil energy sources Higher cost during transition: investments, learning curve for new technologies Many positive effects for national economy, e.g. technology development, employment, strongly decreased dependence on global energy markets

31 Publications Henning, H-M., Palzer, A., A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies Part I: Methodology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 3 (214), pp Palzer, A., Henning, H-M., A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies Part II: Results. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 3 (214), pp Palzer, A., Henning, H-M., A future German energy system with a dominating contribution from renewable energies: a holistic model based on hourly simulation. Energy Technology 214, 2, pp 13 28

32 Thank you for your attention Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Hans-Martin Henning