Energiesysteme was ist «smart»?

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1 Willkommen Welcome Bienvenue Empa / PSI Energiesysteme was ist «smart»? Urs Elber Geschäftsführer Forschungsschwerpunkt «Energie», Empa Geschäftsführer CCEM, PSI CCEM Competence Center for Energy and UAS Industry (Selectionl) Politics, Government, Organizations 2 1

2 Forschungs-Schwerpunkte der Empa Gesundheit & Leistungsfähigkeit Nanostrukturierte Materialien Nanotechnologie / Instrumente & Werkzeuge Analytische & messtechnische Methoden Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit & Sicherheit Adaptive Systeme Computermodellierung Natürliche Ressourcen & Schadstoffe Energie Sustainable Built Environment Forschungs-Schwerpunkt «Energie» Energieeffizienz: Effiziente Gebäude & Nachhaltige Mobiltät Gebäude Technologien Retrofit Technologies Mobility & Fuels Technologies Energieproduktion: PV, Umwandeln & Speichern Photovoltaics (CIGS) WärmespeicherTechnologien Wasserstoff Speicher Technologien Integrierte Multi- Energie Systeme Multi Energie Modellierung Energie Management Integration Campus - Infrastruktur Nachhaltigkeits- Assessments 2

3 Smart Smart (englisch): schnell, intelligent, gewitzt, schlau Smart Grid (englisch): Der Begriff intelligentes Stromnetz umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungsund -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. (Wikipedia) Smart Metering (englisch): Verbrauchserfassung mittels intelligenter Zähler Smart City (englisch): "Eine Smart City bietet ihren Bewohnern maximale Lebensqualität bei minimalem Ressourcenverbrauch dank einer intelligenten Verknüpfung von Infrastruktursystemen (Transport, Energie, Kommunikation, etc.) auf unterschiedlichen hierarchischen Stufen (Gebäude, Quartier, Stadt). "Intelligent" ist in diesem Zusammenhang nicht automatisch mit "IT" gleichzusetzen. Bei ähnlicher Performance sind passive oder selbstregulierende Mechanismen den aktiv geregelten Ansätzen vorzuziehen." (P. Richner, EMPA) Energieverbrauch im Vergleich zum Entwicklungsstand Energieverbrauch vs. HDI Bereich der nachhaltigen Entwicklung Human Devekopment Index HDI 1.00 Andorra Cuba ,5 Erden 5 Erden Switzerland South Africa Liberia USA Bahrain Human Development Index HDI: - Lebenserwartungs-Index - Schulbesuchsdauer-Index - Bildungs-Index - Einkommens-Index Trinidad and Tobago Iceland Qatar Energy [kwh/pers*year] 3

4 Situation Schweiz Fernwärme, KVA, Holz, ee Kernkraft 37.9% g CO 2 /kwh Wasserkraft 56.5% g CO 2 /kwh Neue ern. Energien 3.8% g CO 2 /kwh Konv. Therm. KW 1.9% g CO 2 /kwh Industrie, Landwirtschaft Mobilität und Gebäude sind die «Driver» Quelle: BfE, Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszwecken Energiesystem Schweiz - Export im Sommer - Import im Winter Produktion SO/AG Residuallast (+/-) Quelle: Dr. Sinan Teske, Empa (Daten Swissgrid) 4

5 Handlungsoptionen mit stochastischer Erzeugung 4. Energie in andere Formen umwandeln - dezentral auf Quartierebene für unmittelbaren Verbrauch - zentral: für (saisonale) Speicherung - thermische Speicherung Andere Energieträger, andere Märkte 2. Energie speichern und später verwenden - dezentral auf Haus/- Quartier ebene: Stunden - zentral: Tage, saisonal (PtG, thermisch) Saisonaler Speicherbedarf Strom 4,5 9 TWh 3. Verbrauchs - Verlagerung/ - Steuerung - Effizienz - limitierte Möglichkeiten, vor allem bei saisonaler Verlagerung 1. Energie kappen - Kosten ohne Ertrag - keine zus. Netzbelastung ohne Verwendung der «Peak Energie» macht Investition in viel erneuerbare Energien weniger Sinn Marktsimulation Szenario «Sun 2035», Swissgrid Mehr Flexibilität im Energiesystem nötig Geografische Flexibilität NETZE (HGÜ, Smart Grid, PtG, etc.) Zeitliche Flexibilität: SPEICHER (PSK, Batterien, PtG, Erdwärme, Druckluft, etc.) Ressourcen Flexibilität: UMWANDLUNG / EFFIZIENZ (z.b. PtG, Wärmenutzung) Markt Flexibilität: DIVERSIFIKATION (z.b. Mobilität) Neue Opportunitäten mit der Verknüpfung von Flexibilitäten 5

6 Beispiel PV was bringt lokale Speicherung? Autonomie Sicht «Prosumer»: Keine bis ca % bis ca. 70% Systemsicht: Jede PV- Anlage, ob Eigenverbrauch oder nicht, trägt zur Gesamtsicht bei! (durch weniger Stromaufnahme während Zeiten, wo viel PV-Strom im Netz ist) Eigenverbrauch kann mit Speicherbatterien massiv erhöht werden Batteriekosten pro kwh werden kleiner als die Differenz der Hoch-/ Niedertarifpreise des EVU (Powerwall Tesla geht in die Richtung) Aber: Eigenverbrauch bezahlt keine Netz- und System Dienstleistung- Kosten, da diese Kosten über kwh abgerechnet werden. Wenn «netzdienlich» betrieben: ehub Energy Hub Demonstrator & Forschungsplattform Optimierung der Energieflüsse innerhalb aller Demonstratoren auf Stufe Quartier Analyse der Auswirkungen auf das Energiesystem Validierung von Technologien zur Erzeugung, Umwandlung, Speicherung und Verteilung von Energie Plattform für Energieforschung und Produktentwicklung Komponenten E-Hub: Wärmenetze NT, MT, HT WP s Anergie / Erdsonden (mehrere unterschiedliche Systeme) Eisspeicher Batterien Super Caps CO 2 Wärmenetz Brennstoffzellen BHKW PV, Elektrolyseur, Wasserstoff-Anwendungen, etc. 6

7 Ehub_DE_Beamer1_converted.mp4 (Befehlszeile) Modulares Gebäude NEST Praxislabor und Demonstrator Nächste Evolution in nachhaltigen Gebäude Technologien Umwelt Neue Materialien und Systeme Smart Building Technologies GebäudeHülle Energie Raumklima Wasserverbrauch 7

8 Aktuelle «move»-projekte Future Mobility Demonstrator & Forschungsplattform PtX-Studie Schweiz 3D-Visualisierung: AtlasCopco Schweiz AG/Empa Realverbrauch / Carsharing 350 bar HCNG- Praxiserprobung 350 Bar H 2 - Kehrfahrzeug Batteriespeicher für EVs 700 Bar H 2 - Personenwagen Praxislabore, Forschungsplattformen und Demonstratoren auf dem Empa- Campus (in Planung) ESI Areal Energy System 8

9 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Empa Swiss Federal Laboratories for Materials Science and 9