100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜR STROM UND WÄRME IN DEUTSCHLAND

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1 100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜR STROM UND WÄRME IN DEUTSCHLAND Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Fachtung Die Rolle der Kraft- Wärme-Kopplung in der zukünftigen Energieversorgung 21. März 2013 Solar-Info-Center Freiburg

2 Agenda Einführung Methodik Ergebnisse Fazit

3 Agenda Einführung Methodik Ergebnisse Fazit

4 Einführung 1/2 Leitfragen Ist es möglich, den Energiebedarf Deutschlands mit 100% EE zu decken? Falls ja: wie sehen optimale, konsistente Systeme aus? Wie hoch sind die Kosten? Langfrist-Perspektive, volkswirtschaftliche Betrachtung Vorgehen Umfassendes Energie-Modell für Strom und Wärme (Heizung, Warmwasser) umfasst Elektrizitätssektor und Gebäudesektor (Wohnungs- und Nichtwohnungsbau) einschließlich energetische Gebäudesanierung Nur inländische EE

5 Einführung 2/2 Nicht einbezogen Mobilität, die heute auf fossilen Brennstoffen basiert Industrie-Prozesse, die heute auf fossilen Brennstoffen basieren Der im Modell abgebildete Anteil des Energiesystems umfasst damit 62 % des heutigen Primärenergiebedarfs

6 Agenda Einführung Methodik Ergebnisse Fazit

7 Struktur Energiesystem photovoltaic wind onshore battery powerto-gas methane pumped power plant combined cycle gas turbine stoarge, electrical load excess export load CHP + solar, wind offshore hydro power 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 solar excess

8 Wandler erneuerbarer Energien Photovoltaik photovoltaic wind onshore battery powerto-gas Onshore Wind methane pumped power plant combined cycle gas turbine Biomasse stoarge, electrical load excess export load CHP + solar, wind offshore hydro power 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 solar excess Wasserkraft Solarthermie - zentral Solarthermie - dezentral

9 Lasten photovoltaic wind onshore battery powerto-gas methane pumped power plant combined cycle gas turbine Stromlasten stoarge, electrical load excess export load CHP + solar, wind offshore hydro power 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 solar excess

10 Energiewandler photovoltaic wind onshore battery powerto-gas methane pumped power plant combined cycle gas turbine Gas to power GuD- Kombikraftwerke stoarge, electrical load excess export Power to elektrische Wärmepumpe load CHP + solar, wind offshore hydro power 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 Gas to power + Klein-KWK solar excess Gas to Gas-wärmepumpe

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

12 Modell und Modellannahmen Jahresmodell auf Stundenbasis Profile mit Stundenwerten von 2011 Stromerzeugung durch Wind, PV und Wasserkraft Strombedarf und Energiebedarf für Heizung Biomasse: 50 TWh fix für Strom und Wärme (Gesamtwert Biomasse einschl. Abfälle und Deponiegas in Deutschland 2010: >300 TWh) Jahreswerte Endenergiebedarf Strombedarf: 500 TWh (ohne Heizung und Warmwasser) konstant bzw. Absenkung auf 350 TWh Heutiger Heizwärmebedarf von 781 TWh (Endenergie): energetische Sanierung von Gebäuden Bestandteil der Modellierung Heutiger Warmwasserbedarf 105 TWh: wird als konstant angenommen

13 Optimierung Bestimmung der optimalen Größe und Zusammensetzung aller Wandler und Speicher einschließlich energetischer Sanierung von Gebäuden unter Berücksichtigung technischer Potenziale Optimal: minimale jährliche Gesamtkosten (Invest, Finanzierungen, Wartung/Betrieb) Kosten für Komponenten: Kosten weit unten auf Lernkurve, d.h. Werte die nach langjähriger FuE und breiter Markteinführung erreicht werden (industrielle Herstellung, Skaleneffekte) * * Quelle für die meisten Kostenwerte: International Energy Agency (IEA) (Ed.), Energy technology perspectives Scenarios & strategies to 2050 (bzw. teilweise neuere Ergebnisse mit Energy technology perspectives, Ausgabe 2012)

14 Agenda Einführung Methodik Ergebnisse Fazit

15 Eine 100-%-Versorgung mit EE ist möglich System Medium (siehe nächste Folie)

16 Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010

17 Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten Wind-Off Wind-On PV 75 GW 85 GW 85 GW 170 GW 170 GW 200 GW 180 GW 202 GW 262 GW Installierte Leistung EE in GW Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010

18 Es gibt unterschiedliche Lösungen mit ähnlichen jährlichen Gesamtkosten Jährl. Gesamtkosten in Mrd. Wind-Off Wind-On PV 75 GW 85 GW 85 GW 170 GW 170 GW 200 GW 180 GW 202 GW 262 GW Installierte Leistung EE in GW Heizwärmebedarf in % des Wertes in 2010

19 Wichtigste Ergebnisse bezogen auf KWK Mini-KWK fällt durchgängig bei Optimierung raus Ungünstige Kosten-Performance Zentrale KWK spielt eine Rolle, allerdings nicht als dominante Technologie für komplementäre Stromerzeugung zu fluktuiernder EE Große Wärmespeicher spielen eine wichtige Rolle, auch zur Verwertung von Stromüberschüssen, die nicht anderweitig nutzbar sind

20 Installierte Größe, GW bzw. GWh Anteilige Nutzung fossiler Energie Optimierung für fixe Menge fossiler Energie EE 91 % 82 % 73 % Anteil Menge genutzter fossiler Energie, TWh

21 Installierte Größe, GW bzw. GWh Anteilige Nutzung fossiler Energie Optimierung für fixe Menge fossiler Energie EE 91 % 82 % 73 % Anteil Menge genutzter fossiler Energie, TWh

22 Installierte Größe, GW bzw. GWh Anteilige Nutzung fossiler Energie Optimierung für fixe Menge fossiler Energie EE 91 % 82 % 73 % Anteil Menge genutzter fossiler Energie, TWh

23 Erweiterung zentrale Kraftwärmekopplung um Wärmepumpe KWK-GuD W-Speicher WP zentral Gebäude Solarthermie Wärmenetze mit GuD-KWK

24 Beispielergebnisse KWK Stromverbrauch fix 350 TWh/a Günstigstes System bei Optimierung aller Größen: 93.6 Mrd. Installierte Windleistung fix 140 GW onshore und 50 GW offshore Energetische Sanierung Gebäude fix auf 50 % Heizwärme 2010 Wärmenetze mit zentraler KWK Anteil Bestand elektr. Leistung KWK Wärmeleistung WP Anteil GW GW % dezentrale Wärme Dezentrale KWK elektr. Leistung GuD elektr. Leistung % Geb.- Jahreskosten GW GW Mrd. 15% % % % % % % %

25 Agenda Einführung Methodik Ergebnisse Fazit

26 Fragen Die wichtigsten Hemmnisse für die KWK? 1. Zukünftig vergleichsweise wenig Nutzungsstunden 2. Bei Strom-geführtem Betrieb Notwendigkeit zeitgleicher nutzbringender Wärmeverwendung, um hohe Gesamteffizienz aufzuweisen 3. Notwendigkeit der Wärmelieferung bei entsprechendem Wärmebedarf auch dann, wenn kein Strom benötigt wird wegen hoher Produktion durch fluktuierende EE (siehe Beispiel Fernwärme Leipzig diesen Winter) 4. Niedrigere Stromausbeute als hocheffiziente GuD 5. Insgesamt ist KWK auf Grund der Kopplung von Strom und Wärme nicht so flexibel wie getrennte Erzeugung, Flexibilisierung ist jedoch zentrale Notwendigkeit Die wichtigsten Maßnahmen um den KWK- Anteil zu erhöhen? 1. Vergütung von Systemdienstleistung (Bereitstellung von Regelenergie, z.b. Kapazitätsmarkt) 2. Ausreichend große Wärmespeicher, insbesondere bei Anlagen im Verbund mit Wärmenetzen 3. Installation von Wärmenetz-gebundenen Wärmepumpen (siehe Dänemark)

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

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