Speicher und andere Flexibilitätenfür die Energieversorgung der Zukunft»

Transkript

1 Speicher und andere Flexibilitätenfür die Energieversorgung der Zukunft» EnBW Energie Baden-Württemberg AG Forschung und Entwicklung Wolfram Münch Stuttgart, 11. April 2016

2 Kennzahlen des Stromsystems in Deutschland heute Mit Einwohner in Deutschland: 82 Mio Stromverbrauch: 516 TWh Spitzenlast MW Strombedarf: 6300 kwh/einwohner Stromversorgungssystem: 1 kw/einwohner 100% Erneuerbare Energie ist möglich: Mit Photovoltaik (1000 VBh) 6,3 kw/einwohner Mit Wind (Onshore, 2000 VBh) 3,2 kw/einwohner Mit Wind (Offshore, 4000 VBh) 1,6 kw/einwohner Stromversorgungssystem muss verstärkt werden Quelle: Quellen: AG Energiebilanzen ( ), Statistisches Bundesamt, BDEW/entsoe 2I Münch, EnBW

3 Zeitweilige Überschussproduktion im Stromsystem Leistung 2010 Konventionelle Kraftwerke Erneuerbare Energien Verbrauch t = 24h Leistung Erneuerbare Energien 20XX Verbrauch t = 24h Bezogen auf die Erzeugung aus Windenergie und PV- Anlagen 1) im Jahr 2020 jede 5. kwh Überschuss ca. 30 % der Erneuerbaren Leistung am Netz zu viel. 1) : Quelle: et 5, 44 (2012) Gestern: Die Nachfrage ist größer als die Einspeisung Erneuerbarer Energien. Heute: Immer häufiger stehen mehr Erneuerbare Energien zur Verfügung als momentan verbraucht werden Überschüsse im Energiemarkt: niedrige Preise an den Strombörsen 3I Münch, EnBW

4 ZeitweiligeStromüberschüssein Deutschland: Was tun? Speichern oder Transportieren! Analogie: Selbstversorgung mit Äpfeln Kühlschrank oder Markt zentral oder dezentral Auch im Energiemarkt Großräumige Netzausbau ist die Alternative zu Speichern Zentral oder dezentral Speicherbedarf je nach Netzausbau Quelle: 4I Münch, EnBW

5 Handlungsoption großräumiger Netzausbau Typische Netzkosten Kosten des Netzausbaus /kw 1)2)3) Netznutzungspreise Deutschland (Private Endverbraucher): 0,06 0,07 /kwh 1) dena II, Länge 1000 km; 2) Mittelspannung und 3) Niederspannung je installierte kw erneuerbare Leistung, Quelle: Netzgesellschaft Ostwürttemberg je installierte kw erneuerbare Leistung FAZ 27. Nov FAZ 27. Nov European Wind Energy Study EWIS 5I Münch, EnBW

6 Typische Netzdimensionen im Vergleich 2 MW z. B. 138 m 800 Haushalte Transportnetz Verteilnetz Höchstspannung Hochspannung Mittelspannung Niederspannung 380 kv 110 kv 20 kv 0,4 kv 2 * MW 2 * 100 MW 10 MW 0,4 MW Ca. 2,8Mio Einwohner Ca Einwohner Ca Einwohner Ca. 400 Einwohner z. B. 60 m IEE,TU Darmstadt z. B. 40 m z. B. 15 m z. B. 10 m 6I Münch, EnBW

7 Speicher im Wettbewerb mit konventioneller Erzeugung Installierte Leistung MW Mittelwert Leistung am Netz 5400 MW 2013 Energie: 1 MWh Wind = 1 MWh fossil Aber 1 MW Wind 1 MW fossil Nur ca. 1,5% der installierten Windleistung sind sicher verfügbar 2013: 490 MW fossile Kraftwerksleistung konnten ersetzt werden SichereVerfügbarkeit: 67 MW Wind = 1 MW fossil 7 7I Münch, EnBW

8 Auch bei 100% Erneuerbare Energien stehen Speicher im Wettbewerb mit fossilen Kraftwerken 100% Erneuerbare Energie ist möglich z.b. ca. 250 GW Wind (on shore) Da nur 1,5% Windleistung (4000 MW) sicher verfügbar MW fossile Kraftwerke noch am Netz Quelle: M. Wunsch, Masterarbeit KIT 2015 Fazit: Fossile Erzeugung weiterhin vorhanden Speicher im Wettbewerb mit fossilen Kraftwerke Ca h (16-22 Wochen) Überschüsse erneuerbaren Stroms möglich Wind: Überschüsse im Winter! 180 TWh Quelle: M. Wunsch, Masterarbeit KIT I Münch, EnBW

9 1) dena II, Länge 1000 km; 2) Mittelspannung und 3) Niederspannung je installierte kw erneuerbare Leistung, Quelle: Netzgesellschaft Ostwürttemberg je installierte kw erneuerbare Leistung Speichertechnologien im Einsatz Bereich der Netzausbaukosten Zum Erinnerung: Kosten des Netzausbaus /kw 1)2)3) Netznutzungspreise Deutschland (Endverbraucher): ca. 0,07 /kwh Im internationalen Vergleich sind wettbewerbsfähige Speicherkosten für Langzeitspeicher die größte Herausforderung! 9I Münch, EnBW

10 Chancen für Batteriespeicher bei Kunden Eigennutzung, Autarkie, Nachhaltigkeit Mit Batteriespeichern kann die Eigennutzung von selbst erzeugtem Strom erhöht werden Wunsch nach Autarkie und Nachhaltigkeit Besonders relevant für PV-Anlagen (EEG-Förderung, ) Hohe Endkundenpreise für Strom: Ziel ist die Vermeidung von Netzbezug Heute u. U. schon wirtschaftlich mit konventionellen Batteriesystemen (z.b. Blei- Batterien, ) Herausforderungen Ineffizienter Netzausbau Energiebezogene Netznutzungsentgelte steigen Entsolidarisierung bei Netzkunden 11I Münch, EnBW

11 Überschussstrom zur chemischen Speicherung: Power2x: H2, Methan, Methanol, Durch Power2Gas wird das Erdgasnetz mit seinen Speichern nutzbar! Begrenzte Speichermöglichkeiten im Stromnetz werden überwunden Pumpspeicher (Stromnetz): 0,04 TWh Gasspeicher: 220 TWh (Quelle: BMU, 2011) Nutzt bestehende Gasinfrastruktur ( 100 Tage- Speicher ) Erlaubt aus Sicht des Stromnetzes eine technische Möglichkeit zur Wochenund Monatsspeicherung von Energie Quelle: 13I Münch, EnBW

12 Windgas : Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft Aus Überschussstrom und Wasser, H 2 erzeugen (1 kwh Strom -> 0,7 kwh H 2 ) Zudosierungvon H 2 ins Erdgasnetz, derzeit bis zu 15% zulässig Technik bekannt, Herausforderungen jedoch sind Wirtschaftlicher Elektrolysebetrieb mit schwankender Leistung und geringeren Volllaststunden Einsatz im Verkehr: Neue Tankinfrastruktur muss errichtet werden Schon heute in D: Wasserstoffnebenproduktion t/a (Quelle: DWV 2008) 14I Münch, EnBW

13 Mit Wasserstoff zu synthetischem Methan: Power2Gas Quelle: Sterner, 2009, S. 110 Technik bekannt: Einzelkomponenten sind etablierte Technologien Herausforderungen sind sehr geringer Zykluswirkungsgrad Betrieb mit schwankender Leistung sehr aufwändig 15I Münch, EnBW

14 Mehr Flexibilitäten: Mobilisieren der Elastizität im Stromverbrauch durch Smarte Energie Gestern Energieverbrauch steuert Erzeugung Regeln mit wenigen großen Einheiten Morgen (Erneuerbare) Erzeugung steuert Verbrauch Regeln mit vielen Kraftwerken/Speichern Mobilisieren der Elastizität im Stromverbrauch Wasser KKW Kohle Gas Wasser Kohle Gas Verbrauch bestimmt Erzeugung Leistungsregelung durch zentrale Erzeugung und Speicher Erzeugung bestimmt Verbrauch Leistungsausgleich durch Tarifanreize für alle Teilnehmer 16I Münch, EnBW

15 Energie und IT: Smart Markets organisieren Erzeugung und Verbrauch Energiemarkt CO 2 -Bilanz Energielieferant Intelligente Systemplattform für Energiedienstleistungen der Zukunft Netze Verteilnetz-betreiber intelligente Zähler Kleinindustrie/ Gewerbe intelligente Endgeräte Elektrofahrzeuge Haushalt Stromspeicher µkwk intelligente Speicher EE-Einspeiser Dezentrale Erzeugung 17I Münch, EnBW

16 Energie und IT: Technologie heute schon vorhanden B2B-Kunden Energieversorger Dezentrale Erzeugung Informations- und Kommunikationstechnik Smart Grid Smart Meter Intelligente Haushaltsgeräte Speicher/ Elekto- Mobilität gefördert durch BMWi MeRegio Zertifizierung zur Reduktion von Klimagasemissionen 18I Münch, EnBW

17 Sogar bei manueller Steuerung: Variable Stromtarife beeinflussen Energienutzung bei Haushaltskunden Dauerhafte Lastbeeinflussung über alle Stunden: ca % ca. 500 W Durchschnittslast pro Haushalt -> ca W steuerbare Lastbeeinflussung für die Netz-oder Energielogistikziele erreichbar Hochgerechnet auf alle Haushalte in Deutschland: ca. 50% des Regelenergiemarkts heute Durch höhere Effizienz sinkt Energieverbrauch zusätzlich um knapp 1%: Bei 1000 Kunden ca. 43 t CO 2 jährlich weniger HT NT gefördert durch BMWi SNT t [h] Normalstrom (25 ct/kwh) Sparstrom (20 ct/kwh) SuperSparstrom (15 ct/kwh) 19I Münch, EnBW

18 Zusätzliche Flexibilitäten durch Wärmespeicher Energiemarkt CO 2 -Bilanz Energielieferant Intelligente Systemplattform für Energiedienstleistungen der Zukunft intelligente Netze Verteilnetz-betreiber intelligente Zähler Kleinindustrie/ Gewerbe intelligente Endgeräte Elektrofahrzeuge Haushalt Stromspeicher Wärmespeicher µkwk EE-Einspeiser intelligente Speicher Dezentrale Erzeugung 20I Münch, EnBW

19 Wärmespeicher als Puffer für Strom? Hybridisierung der Wärmeversorgung Hybride Heizungsanlage wechselt Energieträger nach Verfügbarkeit falls Überschussstrom verfügbar, wird elektrisch geheizt nutzt vorhandenen thermischen Speicher (Optimierung Brenner, Solarthermie) (ggf. zusätzliche) Installation einer Heizspirale/Durchlauferhitzer Intelligenter Stromzähler Quelle: heizung-solar24.de 21I Münch, EnBW

20 Hybridisierung ermöglicht die drastische Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch Überschussstrom zum Heizen? Ca. 50% aller HH heizen mit Gas, ca. 390 TWh/a Ca. 5 TWh/Monat- Bedarf sogar im Hochsommer TWh durch Windstrom ersetzen: mind MW Wind On-Shore zusätzlich möglich EEG-Einspeisevergütung für Wind On-Shore entsprechen derzeit ca $/bbl Erdöl Evolutionäre Dekarbonisierung des Wärmesektors durch Erneuerbaren Strom! 22I Münch, EnBW

21 Prognosen von Ausfallarbeit betroffener Leistung, Volllastausfallstunden 30000,00 GWh 25000, ,00 Substituierbare Arbeit Industrie Substituierbare Arbeit Haushalte Referenz (Ausfallarbeit) Quelle: et 5, 44 (2012) 15000, , ,00 0, Jahr Die Industrie und die Haushalte können die gesamte prognostizierte Ausfallarbeit des Jahres 2020 aufnehmen. Marktmodell? 25I Münch, EnBW

22 Wie könnte so ein Marktmodell aussehen? -Skizze eines Marktmodells mit hoher Preiselastizität Stromkosten 2013 (HH, 3500 kwh): 29 ct/kwh -> 1008 /a (84 /Monat) Erzeugung, Vertrieb: 30% Netznutzung: 20% Steuern, Abgaben, Umlagen: 50% Neues Strompreismodell (HH, 3500 kwh) -> 1008 /a Fixe monatliche Rate ( Energienetzgebühr ): 59 /Monat enthält die Kosten für Netznutzung und alle Steuern, Abgaben und Umlagen verbrauchsunabhängig, (vgl. GEZ-Gebühr oder Grundsteuer) Variabler Anteil nach Verbrauch: durchschnittlich 8,6 ct/kwh enthält nur noch Erzeugung- und Vertriebskosten Preisgestaltung variabel nach EEX o.ä. zum Vergleich: HH-Gaspreis ca. 6 ct/kwh Quelle: BDEW I Münch, EnBW

23 Energienetzgebühr ermöglicht Wettbewerb zwischen Strom- und Gasnutzung beim Endkunden Energienetzgebühr ermöglicht zusätzliche politische Steuerungsimpulse Höhe der verbrauchsunabhängigen Monatsrate könnte abhängen von Technische Effizienzkomponenten: Max. Leistungsbezug, etc Umweltkomponenten: Energieeffizienzklasse des Gebäudes, Alter der Heizungsanlage, Gesamtenergieverbrauch, Soziale Komponenten Höhe /Technologie der Eigenerzeugung, Wettbewerb zwischen Strom-und Gasnutzung leicht politisch steuerbar Unabhängig von der Fördersystematik für Erneuerbare Energien Markttechnische Kopplung von Spotmarktpreisen Strom mit Gas Energienetzgebühr bietet zusätzliche Handlungsoptionen für die Politik zum Erreichen von Zielen der Energiewende unabhängig von der EE- Fördersystematik 27I Münch, EnBW

24 Zusammenfassung und Fazit (1) Für die Energiewende sind Veränderungen im gesamten Energiesystem nötig Netzausbau auf allen Ebenen Stromspeicher Öffentlichen Versorgung: Pumpspeicherkraftwerke Endkunden: Batterien Sektorkopplung: Großes Potenzial für Wärmespeicher Wichtiges Bindeglied zwischen Strom- und Gasnetz Nutzung von Überschussstrom vermeidet Verbrauch fossiler Energieträger Smarte Energiewelt kann einen wesentlichen Beitrag leisten 28I Münch, EnBW

25 Zusammenfassung und Fazit(2) Integration erfordert neben Technologie vor allem neue Regulierung und neue Vermarktungsmodelle! Für das Gelingen der Energiewende: Intelligente Organisation der Energiemärkte und neue Marktmodelle wichtiger als Fördermaßnahmen! 29I Münch, EnBW