Analyse der Energieversorgung eines Industrielands mit erneuerbaren Energien am Beispiel Deutschlands

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1 Analyse der Energieversorgung eines Industrielands mit erneuerbaren Energien am Beispiel Deutschlands Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE STE-Kolloquium Forschungszentrum Jülich Jülich, 8. April 214

2 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

3 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

4 Energiewende Deutschland Ziele der deutschen Bundesregierung für 25 Insgesamt Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8 bis 95 % (bezogen auf 199) Halbierung des Primärenergieverbrauchs (bezogen auf 28) Anteil erneuerbarer Energien von 6 % am Endenergieverbrauch Strom Reduktion Verbrauch um 25 % (bezogen auf 28) Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch 8 % Gebäudesektor Nahezu klimaneutraler Gebäudesektor Reduktion fossil bereit gestellter Primärenergie um 8 %

5 (Soll-) Entwicklung Treibhausgas-Emissionen Deutschland Davon knapp1 Mio t Energie-bedingte CO 2 - Emissionen Quelle: eigene Darstellung nach Daten des UBA vom

6 Endenergie Deutschland heute (Daten 21)

7 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

8 Leitfragen unserer Untersuchung Ist es möglich, den Energiebedarf Deutschlands überwiegend oder vollständig mit erneuerbaren Energien zu decken? Falls ja: wie sehen kostenoptimale, konsistente Systeme aus? Langfrist-Perspektive, volkswirtschaftliche Betrachtung,»Helikopterblick«

9 Methodik Stündliche Modellierung der Energieflüsse unter Berücksichtigung aller Komponenten des Energiesystems (Erzeugung, Speicherung, Verbrauch) Optimierung Minimierung jährlicher Gesamtkosten zum Erhalt und Betrieb des Gesamtsystems Annuisierte Kosten für (Re-) Investitionen, Finanzierung, Betrieb, Wartung Einbeziehung energetische Sanierung Gebäude Generischer Optimierer (nicht-linear)

10 Modellierung Regenerative Energien Modell Deutschland (REMod-D) erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Stromerzeugung, -speicherung, -verteilung PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Mögliche Struktur eines Energiesystems mit dominantem Anteil erneuerbarer Energien Alle Verbrauchssektoren Schwerpunkt Strom-Wärme Stundengenaue Modellierung 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel (einschl. Biomasse 82 6 H2-Speicher Treibstoff 22 sowie Verkehr Sabatier Methan-Sp. Wasserstoff. GWgas und Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe Methan aus EE) Gasturbine 1 GW Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Industrie- 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Prozesse Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Verkehr GuD-KW 3 3 GW(elektrisch, H 2, Brennstoff-Mix) Einzelgebäude mit Gaskessel KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Wärme (sämtliche Gebäude, einschl. KWK, Speicherung und Wärmenetzen) Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

11 PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 146 GW 135 GW 38 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 41 GWel 85 H2-Speicher 3 82 Erdgas Biomasse Sabatier 2 Methan-Sp..5 GWGas Batterien 39 GWh 8 Brennstoffe Gasturbine 1 GW GuD 26 GW 2 Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzer Strom (Abregelung) KWK-BHKW 1 1 GWel Solarthermie 12 9 W-Speicher 1 W-Speicher 13 GWth 9 GWh Verkehr 16 GWh 8 (ohne Schienenverkehr/Strom) WP zentral 1 Wasserstoff-basierter Verkehr GWth Gas-WP 7 73 Gebäude 82 Traktion 41 1 Gebäude 31 GWth 82 H2-Bedarf 82 2 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 1 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 8 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 256 GWh %-Wert 21 1 % 29 KLein-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 24 GWth 143 Industrie und Gewerbe Gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 9 Wärmebedarf gesamt 461 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 63 GWth 296 GWh GWth 3 GWh Solarthermie Gebäude 2 Gaskessel 2 2 Gebäude.3 Geothermie 3 Gebäude 27 GWth GWth 2 1 GWth 3 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe 9 Pump-Sp-KW 7 6 GWh 4 Einzelgebäude mit Gaskessel KWK-GuD GWel 46 W-Speicher 575 GWh WP zentral GWth 25 Gebäude 64 Solarthermie 2 37 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Modell-Ansatz Optimierung Energiesystem im eingeschwungenen Zustand Exogene Vorgaben CO 2 -Emissionen verfügbare Menge fossiler Energieträger Strombedarf (ohne Strom für MIV und Wärme) Optimierer Optimierung Strom-Wärme- System (Minimierung jährliche Gesamtkosten) Ergebnisse Installierte Leistung aller Komponenten Größe Speicher Prozesswärmebedarf Industrieprozesse erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Umfang energetische Sanierung Gebäude Energiebedarf Verkehr Verfügbare Biomasse Leistung konv. KW Wärmeversorgungstechniken Gebäudesektor (Wärmenetze, dezentral)

12 spez. Mehrkosten für energetische Sanierung, /m² Mehrkosten energetischer Sanierungsmaßnahmen Heutige Werte und mögliche Reduktionen Kostenannahmen basierend auf verschiedenen Studien (Dena, Kenkmann, Schulze-Darup) Abgleich mit Ergebnissen aus Modell Invert (TU Wien) Untersuchte Szenarien mit reduzierten Mehrkosten -25% -5% 35 Werte Invert 3 heutige Kosten 25-25% -5% % 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 1% Raumwärmebedarf (1 % entspricht dem Wert in 21)

13 Jahres arbeits zahl Modellannahmen für Wärmepumpen JAZ in Abhängigkeit der Anzahl der mit WP versorgten Gebäude Berücksichtigung von Heizungsvorlauftemperaturen für den tatsächlichen (sanierten) Gebäudebestand Gas-WP, Invert Luft-WP, Invert Sole-WP, Invert Gas-WP, Modell Luft-WP, Modell Sole-WP, Modell Werte erzeugt mit Modell Invert (TU Wien) % 2% 4% 6% 8% 1% Anteil der mit Wärmepumpen versorgten Gebäude

14 Wichtigste exogene Randbedingungen / Annahmen für Zieljahr 25 Nachhaltiges Biomassepotenzial 335 p.a. (Studie Modell Deutschland des WWF) Mobilität: Fahrleistung (Traktionsenergie) gleichbleibend (211) 3 % Batterie-basiert (Kurzstrecken individual, urban) 3 % Wasserstoff / Brennstoffzelle (Langstrecken individual, öffentlicher Nahverkehr urban) 4 % Brennstoffe (vor allem Schwerlast und Luftfahrt) Stromverbrauch (ohne Strom für Wärme und motorisierten Individualverkehr) um 25 % reduziert: 5 /a 375 /a Gleichbleibender Brennstoffbedarf für Gewerbe- und Industrieprozesse (entspricht Entwicklung der vergangenen 2 Jahre) Langfristige Kostenprojektionen für alle relevanten Technologien (wo möglich Daten aus IEA Technology Outlook)

15 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

16 Kostenoptimales System PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Kosten-optimales System, das Klimaschutzziele erreicht (Absenkung Energie-bedingter CO 2 -Emissionen um 81 %) Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

17 Stromerzeugung erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Photovoltaik 147 GW el 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 Onshore Wind KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) GW ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 el 26 KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % KWK mittlerer und großer Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude gekoppelt Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe an Wärmenetze) 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe GW el 6 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Leistung (Quartiere, große HKW, Offshore Wind 32 GW el 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

18 Wärme Dezentral erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Zentral PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh 13 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel Biomasse 82 H2-Speicher Treibstoff 22 Verkehr Solarthermie Sabatier Methan-Sp.. GWgas dezentral 42 GW th 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Wärmepumpen Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in Netzgebundene Wärme 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude 22 Einzelgebäude th mit (el., Sole-Wärmepumpe Sole) 42 Solarthermie 25 6 GW el installierte 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 19 GW th (elektr., 4 Luft) Leistung 6 KWK Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 15 GW 19 GWth th (Gas) 15 GW 87 GWh 14 GWth 56 GWh th zentrale Wärmepumpen Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth Solarthermie zentral 4 GW th Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

19 Ergebnisse Speicher erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW Batteriespeicher (3 kwh) Elektrolyse Anzahl ca. 833Mio GWel Einheiten Gesamtkapazität Biomasse GWh äquiv. Voll-Zyklen H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Pumpspeicherkraftwerke Anzahl 7 42 Einheiten Gesamtkapazität 6 GWh äquiv. Voll-Zyklen Elektrolyseure Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Zentrale Wärmespeicher (5. m³) Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt Gesamtkapazität 346 GWh 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh äquiv. Voll-Zyklen 14 - Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Gesamtleistung 33 GW el Volllaststunden 2485 h nur für Verkehr benötigt, nicht für Strom- Wärme Dezentrale Wärmespeicher (8 Liter) Anzahl ca. 7 Mio Einheiten Gesamtkapazität 319 GWh äquiv. Voll-Zyklen Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Anzahl ca. 15 Einheiten Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

20 Energiebilanzen Zusammensetzung der Brutto-Stromerzeugung (634 ; Mittel : 622 ) Typ % Technik % PV % Wind Onshore % Fluktuierende Erneuerbare Energien % Wind Offshore % Kraft-Wärme- Kopplung Konventionelle Kraftwerke % % Wasserkraft % Klein-BHKW % KWK, groß % KWK, mittel % Steinkohle % Braunkohle % GuD 3.4.5% Zusammensetzung des Netto-Stromverbrauchs (62 ; heute rund 51 ) % Technik % Klassische Last % Beleuchtung, mech. Energien usw % Wärme % Verkehr % Elektrische Wärmepumpen % Heizstäbe % Wasserstofferzeugung % Fahrzeugbatterien %

21 Energiebilanzen Zusammensetzung der Wärmebereitstellung

22 Primärenergie heute Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, 213

23 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Primärenergieverbrauch heute (212)

24 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Primärenergieverbrauch heute (212) abzüglich nicht-energetischer Verbrauch

25 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Reduktion Stromverbrauch um 125 (entsprechend Ziel Bundesregierung)

26 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Reduktion Heizwärme um 6 % bezogen auf heute

27 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Beitrag Solarthermie zu Niedertemperaturwärme und Prozesswärme

28 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Umstellung Verkehr (3 % Batterie, 3 % H 2, 4 % Brennstoffe)

29 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Elektrische Wärmepumpen (rund 1/3 der Niedertemperaturwärme

30 Beiträge zur Reduktion Primärenergie Umstellung Stromerzeugung auf EE und KWK (+ einige noch in Betrieb befindliche konventionelle KW) Umstellung Stromerzeugung ist der wichtigste Einzelhebel in Verbindung mit dem (anteiligen) Ersatz von Verbrennungsprozessen für Verkehr und Wärme durch strom-basierte, effiziente Wandlungsketten

31 Zus.-setzung Primärenergie im optimierten Zielsystem In etwa Halbierung Primärenergieverbrauch (für EDL) Anteil Erneuerbare Energien am PEV rd. 6 % Reduktion energie-bedingte CO 2 -Emissionen um 81 %

32 Verlauf Residuallast 25 Größe Minimum (GW) Maximum (GW) Strom aus nicht regelbaren FEE 3 22 Last Residuallast * FEE = fluktuierende erneuerbare Energien

33 Abbau negativer Residuallast Nutzung von Stromüberschüssen in verschiedenen Verbrauchssektoren

34 FEE = fluktuierende erneuerbare Energien Ausgewählte Tagesprofile Wintertag, wenig FEE Sommertag, viel FEE

35 Zentral Dezentral FEE = fluktuierende erneuerbare Energien Stromherkunft elektrische Wärmepumpen 25 Luft-Wärmepumpe (43 ) Sole-Wärmepumpe (51 ) 62% 62% 31% 7% 1% 3% 7% 1% WP in Wärmenetzen WP in Wärmenetzen (KWK-GuD) (2 ) (KWK-BHKW) (23 ) 77% 72% 18% % 5% 22% % 6% Fossil KWK FEE-direkt FEE-indirekt

36 Kostenvergleich (Mrd. p.a.) Jährliche Gesamtkosten opt. Zielsystem exkl. Steuern und Gewinne im eingeschwungenen Zustand (ohne Mehrkosten für veränderten Fahrzeugpark und Infrastruktur für Verkehr aus Basis Batterie + Wasserstoff)

37 Kostenvergleich (Mrd. p.a.) Kosten gesamt 28 (inkl. Steuern, Gewinne usw.) Kosten für Erhalt und Betrieb, Steuern und Gewinne Kosten für Bereitstellung Brennstoffe Inland Kosten für Import von Energierohstoffen

38 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Beispielsystem Ergebnisse Parameterstudie Zusammenfassung und Ausblick

39 Leistung FEE bei zunehmender CO 2 -Reduktion Überproportionaler Anstieg der installierten Leistung FEE ab ca. 83% installierte Leistung FEE, GW el % 81% 82% 83% 84% 85% installierte Leistung, GW el Reduktion der CO 2 -Emissionen bezogen auf 199 Photovoltaik Wind onshore Wind offshore Elektrolyse Sabatier

40 Heizungstechnologien bei zunehmender CO 2 -Reduktion Massiver Ausbau elektr. Wärmepumpen ab ca. 83% 14 installierte Leistung, GW th % 81% 82% 83% 84% 85% Reduktion der CO 2 -Emissionen bezogen auf 199 BHKW BWK GasWP SoleWPel LuftWPel Solarthermie

41 Milliarden /a Kosteneinfluss energetischer Gebäudesanierung Verschiebung der optimalen Sanierungstiefe in Abhängigkeit der CO 2 -Reduktionsziele x-achse: Raumwärmeverbrauch in % des Wertes heute 2% 3% 4% 5% 6% 7% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 2% 3% 4% 5% 6% 7% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 1% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 1% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 75% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 75% CO2 Reduktion 85% Sanierungskosten 5% CO2 Reduktion 8% Sanierungskosten 5%

42 Inhaltsübersicht Einleitung Energiesystem Deutschland auf Basis regenerativer Energien ein Blick in das Jahr 25 Methodik Ergebnisse Energie Ergebnisse Kosten Zusammenfassung und Ausblick

43 Zusammenfassung 1/2 Reduktion Energie-bedingter Treibhausgas-Emissionen um 8 % und darüber möglich und mittel- und langfristig mit vergleichbaren Kosten wie heutige Versorgung Zugleich deutlich verringerte Abhängigkeit von Importen von Energierohstoffen Zentrale Pfeiler sind Verbrauchsreduktion (Strom/klassische Verbrauchsbereiche, Raumwärme), effiziente Wandlungsketten (Strom, Wärme, Verkehr) und erneuerbare Energien Fluktuierende erneuerbare Energien (FEE) werden Rückgrat der Stromversorgung und dominieren das System Flexibilisierung von Erzeugung und Nutzung in allen Verbrauchssektoren notwendig, um die erforderliche große Menge an installierter Leistung von FEE zu ermöglichen

44 Flexibilisierung Stromerzeugung und nutzung Wann wird welche Option systemrelevant? 25 % Anteil fluktuierender EE an der Stromerzeugung ca. 75 % Flexibilisierung Stromerzeugung konventioneller Kraftwerke (Gas, Kohle) bzw. KWK Neues Strommarkt-Design Pumpspeicherkraftwerke Wasserstoffbeimischung Erdgasnetz Flexibilisierung von Stromlasten - Haushalte (Smart Grid) - Industrieprozesse Große Wärmesp. in Wärmenetzen Andere neue Stromspeicher (z.b. Redox-Flow) Wasserstoff für Verkehr Batteriesysteme Power-to-Gas für Stromerzeugung im großen Stil Stromnetzausbau (Ü-Netz, Verteilnetz) Konvergenz Strom-Wärme: Nutzung von Wärmespeichern (Wärmepumpe, KWK, ggf. Strom direkt) heute Zeit 25

45 Zusammenfassung 2/2 Kipppunkt oberhalb von rund 8 % Reduktion Energie-bedingter CO 2 - Emissionen (bei den sonstigen hier gewählten Annahmen) fossile und biogene Brennstoffe reichen nicht mehr aus, um verbleibenden Brennstoff-Bedarf von Industrie, Verkehr und Strom/Wärme zu decken synthetische Brennstoffe aus FEE werden notwendig für Strom/Wärme Wärmeversorgung kippt in Richtung elektrischer Wärmepumpen ( Back-Stop-Technologie ) Spätestens für eine solche Situation scheint allerdings eine nationale Betrachtung nicht ausreichend, da sich im Kontext eines europäischen Verbunds andere Gesamt-Optima ergeben würden

46 Anteil erneuerbarer Energien Die Phasen der Energiewende Phase 1 (abgeschlossen) Installation erneuerbarer Energien vor allem für die Strombereitstellung (Wind, PV) Keine wesentliche Änderung der Systemstruktur Phase 2 (laufend) Transformation Gesamtsystem Flexiblisierung Erzeugung und Nutzung von Strom Forcierung von Effizienz und Verbrauchsreduktion Infrastruktur-Weichenstellungen (z.b. Wärmenetze) Erdgas wichtig, vor allem für komplementäre Strom- Erzeugung Zunehmende Bedeutung von Speichern Geschäftsmodelle für Speicherbewirtschaftung und komplementäre Strombereitstellung Phase 3 Die letzten 15-2 Prozent Langzeitspeicher (z.b. Power-to-Gas für Strom/Wärme) Verdrängung von Erdgas (Power-to-Gas) Internationale Vernetzung Zeit

47 Ausblick Weitere Differenzierung im Bereich von Brennstoffen (Wandlungseffizienz, Kosten) und der Nutzung im Verkehrssektor Adaption zur Beschreibung/Optimierung von Transformationspfaden (Lernkurven, Diffusionsraten neuer Technologien, Start heute) Berücksichtigung von CCS als Option zur Dekarbonisierung der Stromerzeugung Länderstudien (Italien, Kalifornien, )

48 vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Hans-Martin Henning, Andreas Palzer