Wer Im Trüben fischen will, braucht einen Baukasten moderner Energieversorgung

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1 Wer Im Trüben fischen will, braucht einen Baukasten moderner Energieversorgung Dr. Achim Stuible Ossiach, 6. Juni 2014

2 Inhalt 1. Warum im Trüben fischen? 2. Baukasten moderner Energieversorgung 3. Zusammenfassung 2

3 Die gute alte Zeit Erzeugung Lastfluss Verbrauch 380 kv Kraftwerk 1 Kraftwerk 2 Kraftwerk n Erzeugung folgt dem Verbrauch Lastfluss bekannt Kraftwerk a Kraftwerk b Kraftwerk 110 kv 20 kv 10 kv Industrie 1 Industrie 2 Industrie n 0,4 kv Gewerbe 1 Gewerbe 2 Gewerbe n HH - Haushalte Lastzentren bekannt Verbrauch langsam wachsend HH HH HH HH Versorgungsaufgabe ist gut abschätzbar und planbar 3

4 Stromversorgung heute und morgen Erzeugung Lastfluss Verbrauch 380 kv 110 kv Kraftwerk 1 Kraftwerk 2 Kraftwerk n Wind Offshore MW? Speicher Kraftwerk a Kraftwerk b Kraftwerk Netze: aktuelle Situation Lastfluss bidirektional, volatil, unbekannt Zubau erneuerbare Energien unbekannt Einspeisung erneuerbare Energien mitunter größer als Verbrauch Regulierung, Kostendruck Hohe Dynamik bei Veränderungen 20 kv 10 kv Wind 1 EEG Anlage MW? Wind n Industrie 1 Industrie 2 Industrie n 0,4 kv Wind 2 Wind 3 MW? PV 1 PV 2 Gewerbe 1 Gewerbe 2 Gewerbe n HH - Haushalte PV PV MW? PV n HH HH HH HH Betriebsrisiko für Netzbetreiber wächst mit zunehmendem Ausbau der erneuerbaren Energien Ausbau von Steuer-, Mess- und Informationssystemen (IKT) im Netz erforderlich 4

5 ! Logische Abfolge tatsächlich Die Umsetzung der Energiewende Ziel der Energiewende Langfristiger Aufbau eines wirtschaftlichen und ausreichend kontrollierbaren Energieversorgungssystems in den Komponenten Wärme, Strom, Mobilität mit minimalen CO 2 -Emissionen, maximalem Einsatz erneuerbarer Energien und bei Ausstieg aus der Kernenergie Geplante Umsetzung Tatsächliche Umsetzung Energiesystemanalyse technische und sozioökonomische Zusammenhänge und Auswirkungen erkennen Handlungsspielräume /Strategien identifizieren Reduktion des Energiebedarfs Wärmedämmung Gebäude Energiesparende Anwendungen (z.b. LED) Hocheffiziente / erneuerbare Technologien KWK Brennwert Solar / Wind / Biomasse Massive Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung (bisher ohne Ausbau Speicher) Diskussionen Netze Speicher Kosten? 4. Umbau des Energiesystems Ausbau Nahwärme in dicht besiedelten Gebieten Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien an Stromerzeugung und Ausbau Speicher und Netze 5

6 Fischen im Trüben das ganze ist noch komplizierter Sehr viele Akteure Vielfalt von Zielen und Richtungen und alles gleichzeitig Einzelziele werden unabhängig voneinander entwickelt, umgesetzt Akteure agieren getrennt Jeder Akteur optimiert in seinen Systemgrenzen Trial and Error, Irrwege und Sackgassen Interdependenzen alles hängt mit allem zusammen Quelle: IFEU, Fraunhofer IBP, Hochschule Regensburg 6

7 Interdependenzen rund um die Energiemärkte Stromerzeugung wesentliche Rahmenbedingungen Spielregeln Technologien Energieerzeugung Marktteilnehmer Nachfrage, Bedarf Kombination der Rahmenbedingungen günstig: Geschäftsmodell erfolgreich, z.b. Einsatz konventioneller Kraftwerke vor 2011 Veränderungen in einem Quadranten können neue Entwicklungen in den anderen auslösen neue Ausgangslage, Impuls Veränderung neue Ausgangslage, Impuls Veränderung neue Ausgangslage, Impuls Energieerzeugung Eine Neuerung kann ein Impuls für eine Folge weiterer Neuerungen sein Im Energiemarkt werden stetig neue Ausgangslagen geschaffen die zugleich Impulse für weitere Veränderungen sind 7

8 Inhalt 1. Warum im Trüben fischen? 2. Baukasten moderner Energieversorgung 3. Zusammenfassung 8

9 Energiewende: Fokus auf Strommarkt Die Energiewende zielt auf eine nachhaltige Energieversorgung in allen Sektoren Strom Wärme Mobilität und auf eine Umwandlung hin zu überwiegend erneuerbarer Energieversorgung Der Hauptfokus ist momentan auf der Stromerzeugung und versorgung Wärme Strom Trägheit Echtzeit Kurzfristige Unter- /Überversorgung unkritisch Kurzfristige Unter- /Überversorgung kritisch Der Strommarkt erfordert das bei weitem aufwändigere und komplexere systemübergreifende Management als der Wärmemarkt 9

10 Baukasten der Energiewende auf dem Strommarkt Sicherheit Erzeugung Erneuerbare Energien (EE) Fluktuierend (PV, Wind) Planbar (Bio, Wasser) Konventionelle Erzeugung Fossile Großkraftwerke BHKW s (dezentral) Zuverlässigkeit Bezahlbarkeit Netze & Speicher Übertragungsnetze Verteilnetze Stromspeicher Power to Gas/Heat Verbraucher/Prosumenten Industrie/Gewerbe Haushalte 10

11 MW Großkraftwerke , 11:30 Uhr: nur (!) 35 MW Wind in ganz D bei ca. 34 GW installiert Quelle: BEE Quelle: EEX Erfordernisse: Hohe Lastgradienten (v.a. wegen fluktuierenden EE) CCGT (existing) (new) CCGT CCGT (new) (existing) Coal Power Plant Hohe Flexibilität (Anfahrzeiten, etc.) u.a. wegen kurzfristigen Prognoseunsicherheiten durch EE Fast komplette Backup-Kapazitäten (s ), bei sinkenden Einsatzstunden ( Kapazitätsmarkt?) Extreme negative Residuallasten (EE-Überschüsse) müssen aufgefangen werden 11

12 Dezentrale Erzeugung Kopplung des Strommarkts an dezentrale Strukturen des Wärmemarkt (über KWK): hohe Brennstoffeffizienz (bis zu ca. 90%) Wärmeerzeugung + Wärmespeicher/Wärmenetz können niedrige Einsatzstunden auf dem Strommarkt (teilweise) kompensieren Ausbau von Wärmenetzen und (elektrischen) Wärmespeichern Je nach Wärmesenke: kleinere KWK-Technologien erforderlich Gasmotorenkraftwerke (hohe Teillasteffizienz, kurze Reaktionszeiten, modularer Auf- & Zubau) BHKWs für Wärmenetze und Objektversorgung Mikro-KWK für Haushalte (Potenzial laut Prognos: 10% des Heizungsmarkts) Dezentrale Erneuerbare Stromerzeugung PV als Massenmarkt ( > 1 Mio. Stromerzeuger in Deutschland) Virtuelle Kraftwerke / Speicher Kopplung mehrerer Strom- & Wärme- Erzeugungs-&Speichertechnologien Pooling für die Bereitstellung von Regelenergie (positiv/negativ) Bsp.: Lichtblick s SchwarmStrom Kraftwerke; Wärmepumpen/Elektroheizstab Bild: Vaillant.de 12

13 Flexibilisierung von Erneuerbaren Anlagen Typische Betriebsweise Einsatz als Spitzenlastkraftwerk MW MW t t Die Verstromung von Biogas und Biomasse ist prinzipiell regelbar Flexibilisierung von Biogas-BHKW: Vermarktung als negative Regelenergie: steuerbares Abregeln im virtuellen Kraftwerk Vergrößerung von Speichervolumen und Motorleistung Ausgleich volatiler Stromerzeugung aus Wind und PV (auch als Regelenergie); kürzere Einsatzzeiten Bündelung mehrerer Anlagen zu einer energiewirtschaftlich relevanten Größe virtuelles Kraftwerk Beteiligung von PV und/oder Wind an Systemdienstleistungen (Blindleistung, Regelenergie) 13

14 Spezifischer CAPEX [ /kwh] Stromspeichertechnologien Pumpspeicher (PS): ausgereifte und effiziente Technologie mit moderaten Kosten, begrenztes geographisches Potenzial Batterien: hohe Effizienz bei hohen spezifischen Kosten ( /kw and /kwh) Quelle: Schluchseewerk AG (PSP Häusern) Quelle : Stadtwerke Herne Druckluftspeicher Wasserstoffspeicher: sehr niedrige Effizienz (<40%) bei niedrigen spezifischem Invest [ /kwh] = Eignung als Langzeitspeicher Wo ist der Business Case für Speicher? Investment AA-CAES CAES PS Batterie H Spezifischer CAPEX [ /kw] antizipierte Entwicklung * Daten basierend auf ISI Fraunhofer Institute, Genoese et al., EWI Köln, Lindenberger, CAES: Compressed Air Energy Storage AA-CAES: Advanced Adiabatic CAES 14 RFB: Redox Flow Battery

15 Umwandlung von Strom Power to Gas Umwandlung von Strom in Erdgas Elektrowarmwasserspeicher Quelle: ZSW Umwandlung von Strom in Wärme Quelle: MVV Quelle: Viessmann 15

16 Lastmanagement beim Verbraucher Industrie Produktqualität steht im Mittelpunkt; Strommarkt ist keine Kernkompetenz; Risiken/Nachteile für das Unternehmen werden nicht akzeptiert Netzentgelt-Regulierung belohnt bisher noch die Vergleichmäßigung des Strombezugs Kleine Einzel-Leistungen häufig Poolung erforderlich Herausforderung: Laständerungsgradienten Fehlende Preissignale aus dem Spotmarkt Haushalte Potenzial: 36 Mio. Haushalte Geeignete Anwendungen, Ausstattungsgrad und verschiebbare Energie Waschmaschine (0,9 kwh/d) und Kühlschrank (0,5 kwh/d) >95% Gefrierschrank (0,7 kwh/d) und Geschirrspüler (0,7 kwh/d) 64-68% Zentrale Warmwasserbereitung (23 kwh/d) 75% Herausforderung: Akzeptanz und Anforderungen an intelligente Geräte; Datenschutz 16

17 Intelligente Stromnetze Industrielles Energiemanagement Smart Grids = Erzeugung + Netze + Speicher + Verbrauch t 0 i Open Grid Smart Home E-Mobility IKT Closed Grid Zentrale Erzeugung ÜN VN Speicher Märkte Service Dezentrale Erzeugung Quelle: Fichtner in Anlehnung an acatech Security Transit 17

18 IKT: Die Klammer im zukünftigen Strommarkt Erzeugung Erneuerbare Energien (EE) Fluktuierend (PV, Wind) Planbar (Bio, Wasser) Konventionelle Erzeugung Fossile Großkraftwerke BHKW s (dezentral) IKT Netze & Speicher Übertragungsnetze Verteilnetze Stromspeicher Power to Gas/Heat Verbraucher/Prosumenten Industrie/Gewerbe Haushalte 18

19 Inhalt 1. Warum im Trüben fischen? 2. Baukasten moderner Energieversorgung 3. Zusammenfassung 19

20 Zusammenfassung Umsetzung der Energiewende Energiewende = Fischen im Trüben Trial and Error - Klassische Energiesystemplanung ist passé Zukünftige Stromversorgung muss sein: zuverlässig, sicher und bezahlbar Baukasten moderner Energieversorgung: Verknüpfung von Erzeugung, Verteilung und Verbraucher Erfordert vielfältige technische Lösungen auf allen Ebenen Erzeugung von MWh und Bereitstellung von MW Erbringung von Systemdienstleistungen Realistische Business Cases IKT - Steuer-/Mess- und Informationssysteme in Echtzeit 20

21 Kontakt Fichtner GmbH & Co. KG Sarweystrasse Stuttgart Deutschland Dr. Achim Stuible Partner / Projektbereichsleiter Telefon: Fax: achim.stuible@fichtner.de 21