Modellbasierte Abschätzung des zukünftigen Ausbauund Einsatzpotenzials für elektrische Wärmeerzeugung in der KWK-Versorgung in Deutschland
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- Adolf Linden
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1 Modellbasierte Abschätzung des zukünftigen Ausbauund Einsatzpotenzials für elektrische Wärmeerzeugung in der KWK-Versorgung in Deutschland Erneuerbare Energie erfolgreich integrieren durch Power to Heat Dialogplattform Power to Heat Goslar, Mai 2015 Hans Christian Gils
2 DLR.de Folie 2 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 DLR-Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung Ressourcen Analyse der EE-Ressourcen mit Satellitendaten GIS-basierte Bewertung von Standorten/Potenzialen Technologien Lebenszyklusanalysen, Lernraten Kostenanalysen und Kostenminderungspotenziale Energiewirtschaft / Umwelt Modellgestützte Entwicklung und Validierung von Szenarien technologischer Entwicklungspfade unter verschiedenen Rahmenbedingungen Gesellschaft und Politik Makroökonomische Effekte (z.b. Arbeitsplätze) Analysen zur Politikberatung: Marktgestaltung, Markteinführungsstrategien, Förderinstrumente
3 DLR.de Folie 3 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Einleitung: Motivation und Forschungsfragen Hintergrund Fluktuierende EE-Stromerzeugung benötigt Lastausgleich (Leistung und Arbeit) Stromgeführter Betrieb von KWK und Wärmepumpen (WP) kann dazu beitragen Technische Voraussetzung sind thermische Speicher (TES) Zur Zeit am günstigsten für Niedertemperaturwärme und große Volumina Eine mögliche Nutzung von EE-Erzeugungsspitzen ist elektrische Wärme Forschungsfragen Ist stromgeführte Wärmeerzeugung volkswirtschaftlich günstiger als Alternativen? Welche Rolle spielt dabei zusätzliche elektrische Wärmeerzeugung? Wie sind ihre Lastausgleichswirkung und typisches Betriebsverhalten? Wie ist die Wechselwirkung mit anderen Lastausgleichsoptionen? Welche Kosten- und Emissionsreduktionen sind möglich?
4 DLR.de Folie 4 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Methodik: DLR-Energiesystemmodell REMix Lineares Optimierungsmodell zur Untersuchung von Energieszenarien Minimierung der volkswirtschaftlichen Gesamtkosten Sektorenübergreifende Betrachtung von Strom, Wärme und Verkehr Bewertung des stündlichen Systembetriebs während eines Jahres Einfache und flexible Handhabung durch graphische Benutzeroberfläche Renewable Energy Mix (REMix) Energiesystemmodell Input Klima & Wetterdaten Technologiedaten Wirtschaftliche Parameter Versorgungsszenarien Energy Data Analysis Tool REMix EnDAT Berechnung stündlicher Profile des Strom und Wärmebedarfs, sowie der EE Stromerzeugung Energy System Optimization Model REMix OptiMo Kostenminimaler Aufbau und Betrieb des Energiesystems, ermittelt durch lineare Optimierung Minimize C system = c j x j Ergebnisse Ausbau von Kraftwerken, Speichern und Netzen Stündlicher Systembetrieb Anlagenauslastung Versorgungskosten CO 2 Emissionen
5 DLR.de Folie 5 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Fallstudie: Vorgehensweise Ziel: Analyse des Beitrags stromgeführter Wärmeerzeugung zum Lastausgleich Modellendogener Ausbau thermischer Speicher und elektrischer Boiler Berücksichtigung eines breiten Spektrums an KWK- und WP-Technologien Getrennte Berücksichtigung von Wärmenetzen, Industrie- und Gebäude-KWK Beschränkt auf Niedertemperaturwärme (ϑ < 100 C) Wärmegeführter Betrieb Stromgeführter Betrieb
6 DLR.de Folie 6 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Fallstudie: Untersuchungsrahmen Bewertung verschiedener Szenarien Fokus auf eine Europäisches Stromversorgungssystem mit 80% EE-Anteil Betrachtung Deutschlands als Teil eines europäischen Verbunds Aufteilung Deutschlands in sechs Regionen für erweiterte Netzbetrachtung Analyse basierend auf aktualisierter BMU Leitstudie 2012, Szenarien A & C
7 DLR.de Folie 7 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Fallstudie: betrachtete Szenarien EE-Leistungen in DE in 2050: PV 76 GW, Wind onshore 55 GW, offshore 35 GW Versorgungsanteile: Wärmepumpen 16%, KWK ~25% (Strom) / ~40% (Wärme) Variationen hinsichtlich Wind- und PV-Anteilen, Kfz-Antrieben, sowie der Verfügbarkeit von Langzeitspeichern, Netzausbau und regelbarem EE-Stromimport 50Base 50H 2 T 50H 2 St 50Grid 50PV 50Wind 50CSP Referenzszenario Leitstudie Szenario C 2050 Leitstudie Szenario A 2050 (H 2 Nutzung im Verkehr) Modellendogener Ausbau von H 2 Speichern Modellendogener Ausbau zusätzlicher Stromübertragungsleitungen Erhöhte PV Leistung von 114 GW, Offshore reduziert auf 25 GW Erhöhte Onshore Leistung von 83 GW, Offshore reduziert auf 19 GW Import regelbaren EE Stroms aus CSP Kraftwerken
8 DLR.de Folie 8 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 REMix-Ergebnisse: Wärmespeicherausbau und -einsatz Über alle KWK/WP-Technologien hinweg werden GWh installiert Geringe Sensitivität gegenüber Szenariovariationen Spezifische Speichergrößen: 4-6 h für industrielle KWK 2-10 h für Wärmenetz-KWK h für Gebäude-KWK/-WP Jährliche Energieeinspeisung zwischen 8 und 17 TWh Entsprechend 6-10% des KWK-Wärmebedarfs und 2-4% des WP-Bedarfs Deutlich mehr durch andere Ausgleichsoptionen beeinflusst
9 DLR.de Folie 9 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 REMix-Ergebnisse: Nutzung elektrischer Wärme Gesamtkapazität elektrischer Boiler zwischen 5 und 15 GW Deutliche Unterschiede zwischen Szenarien Überwiegend in Wärmenetz-KWK Jährliche Wärmeerzeugung zwischen 3 und 10 TWh Deutlich reduziert durch zusätzliche Netzübertragungskapazität Besonders hoch bei erhöhtem Onshore-Windenergieanteil Mittlere Volllaststunden von 600 h/a
10 DLR.de Folie 10 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 REMix-Ergebnisse: Regionale Effekte Regionaler Fokus auf Regionen hoher Windkraftnutzung Hohe Kapazitäten im Norden und Osten, geringe im Süden Besonders ausgeprägt bei Nutzung elektrischer Wärme Ergebnisdarstellung für Szenario 50Base
11 DLR.de Folie 11 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 REMix-Ergebnisse: Auswirkungen auf das Gesamtsystem Veränderter Betrieb von KWK- und WP-Systemen reduziert jährliche Abregelung um bis zu 21 TWh, residuale Spitzenlast und somit Kraftwerksbedarf um bis zu 3.6 GW, jährliche Systemkosten um bis zu 1.5 Mrd. und jährliche CO 2 -Emissionen um bis zu 4 Mt
12 DLR.de Folie 12 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 Zusammenfassung Modellendogener Ausbau von TES und elektrischen Kesseln in allen Szenarien Kapazität von TES in geringem, jene von elektrischen Kesseln in hohem Maße abhängig von EE-Versorgungsstruktur und Verfügbarkeit von Netzen/Speichern Bis zu 6% der jährlichen Wärmeproduktion werden gespeichert Bis zu 5% der jährlichen Erzeugung kommen aus elektrischen Kesseln REMix bildet nicht ab, was innerhalb der Regionen passiert. Dort könnte elektrische Wärmeerzeugung zusätzliche Netzentlastung bieten Starke Konzentration auf die windreichen Regionen Deutschlands: HGÜ- Verbindungen machen elektrische Wärmeerzeugung im Süden nahezu obsolet Nutzung am höchsten im Frühling und Herbst, wenn Windfluktuationen hoch sind, und der Wärmebedarf auf dem Niveau der KWK-/WP-Auslegung ist Stromgeführte Wärme senkt Kraftwerksbedarf, Abregelung, Kosten & Emissionen REMix-Ergebnisse zeigen weiterhin: Kaum Potenziale in 2020, in 2030 etwa auf dem Niveau von Szenario 50H2T Starke Abhängigkeit von Typ, Größe und Brennstoff der dazugehörigen KWK Nutzung elektrischer Kessel nur gering sensitiv hinsichtlich Investitionskosten Zusätzliche Nutzung elektr. Wärme bei Einsatz von WP in Wärmenetz-TES
13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hans Christian Gils Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik Systemanalyse und Technikbewertung Wankelstraße 5, Stuttgart Tel: +49-(0) ,
14 Veröffentlichungen Gils, Hans Christian (2015) Balancing of Intermittent Renewable Power Generation by Demand Response and Thermal Energy Storage, Dissertation, Universität Stuttgart, submitted. Scholz, Yvonne; Gils, Hans Christian; Pregger; Thomas; Heide, Dominik; Cebulla, Felix; Cao, Karl-Kiên,; Hess, Denis; Borggrefe, Frieder (2014) Möglichkeiten und Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bei hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung. Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), DLR-Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart. Pregger, Thomas; Luca de Tena, Diego; O Sullivan, Marlene; Roloff, Nils; Schmid, Stephan; Propfe, Bernd; Hülsebusch, Dirk; Wille-Haussmann, Bernhard; Schwunk, Simon; Wittwer, Christof; Pollok, Thomas; Krahl, Simon; Moormann, Andreas (2012) Perspektiven von Elektro-/Hybridfahrzeugen in einem Versorgungssystem mit hohem Anteil dezentraler und erneuerbarer Energiequellen. Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), DLR-Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart. Nitsch, Joachim; Pregger, Thomas; Naegler, Tobias; Heide, Dominik; Luca de Tena, Diego; Trieb, Franz; Scholz, Yvonne; Nienhaus, Kristina; Gerhardt, Norman; Sterner, Michael; Trost, Tobias; von Oehsen, Amany; Schwinn, Rainer; Pape, Carsten; Hahn, Henning; Wickert, Manuel; Wenzel, Bernd (2012) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt (BMU), DLR-Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart.. Gils, Hans Christian (2012) A GIS-based Assessment of the District Heating Potential in Europe. 12. Symposium Energieinnovation, Feb. 2012, Graz, Österreich. Scholz, Yvonne (2012) Renewable energy based electricity supply at low costs - Development of the REMix model and application for Europe. Dissertation, Universität Stuttgart.
15 DLR.de Folie 15 > Dialogplattform Power to Heat > Hans Christian Gils Potenziale elektrischer Wärmeerzeugung in Deutschland > 6. Mai 2015 REMix Ergebnisse: Stündlicher Betriebsverhalten Stündliche KWKStromerzeugung in wärmegeführtem (links) und stromgeführtem (rechts) Modus Stündliche Wärmebereitstellung aus elektrischen Boilern (links) und Wärmespeichern (rechts)
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