FLEXIBILITÄTSRESERVE WÄRMEMARKT SCHLÜSSEL ZUR ENERGIEWENDE

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1 FLEXIBILITÄTSRESERVE WÄRMEMARKT SCHLÜSSEL ZUR ENERGIEWENDE Dr. Bernd Eikmeier (Vortragender) Wolfgang Schulz, Christine Brandstätt (Projektbearbeitung) Jahrestagung Netzwerk Netze und Speicher Düsseldorf, Folie 1

2 Integration Bremer Energie Institut in Fraunhofer IFAM : Integration des BEI ins Fraunhofer-IFAM (550 Mitarbeiter) als neue Abteilung Energiesystemanalyse Energiesystemanalyse.html Folie 2

3 INHALT Hintergrund der Betrachtung Methodische Vorgehensweise Erkenntnisse aus Modellbetrachtungen Hieraus sich ergebende Perspektiven Handlungsempfehlungen Fertigstellung 12/2013 Folie 3

4 Hintergrund Energiewende: Die Nutzung von Sonne und Wind sollen die Stromerzeugung in Deutschland prägen BEE-Stromszenario: Entwicklung der Einspeisung aus erneuerbaren Energien EE-Erzeugung 79% GW Szenario (20) (40) (60) 2030 zu erwartender Residuallastverlauf (blau) Last Erzeugung Wind, PV & Laufwasser Residuallast Quelle: Norbert Krzikalla et al. (BET): Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien, April 2013 Folie 4

5 Hintergrund Geordnete Dauerlinie der zu erwartenden Residuallasten (RL) + 71 GW 163 TWh/a h/a h/a 73% 26% pos. RL = Unterdeckung neg. RL = Überschuss 46 TWh/a - 84 GW Quelle: eigene Darstellung gemäß Norbert Krzikalla 2013 Zeiträume mit Unterdeckung dominieren (73%) Folie 5

6 Hintergrund Herausforderung in der Zukunft: Ausgleich der Residuallasten Insbesondere der jeweiligen Unterdeckungen Herausforderung in der Zukunft: Senkung des Wärmeverbrauchs Insbesondere im Gebäudebestand Bleibende Wärmeschutzdefizite müssen durch rationelle Wärmeerzeugungstechnik kompensiert werden Beides spricht für maximale Ausnutzung des KWK-Prinzips Maximaler KWK-Effekt (= maximale Brennstoffeinsparung) bei hohen elektrischen Wirkungsgraden Folie 6

7 Methodische Vorgehensweise Modellbetrachtungen für Wärmeversorgungsfälle Zugeschnitten auf Einsatzfälle von 4 KWK-Größenklassen Modellfälle Mikro-BHKW Mini-BHKW Groß-BHKW Einfamilienhaus 1 GuD-HKW gr. MFH Wärmenetz gr. Wärmenetz elektr. Leistung (kw el ) ( ) therm. Leistung (kw th ) 5,7 32, Brennstoffleistung (kw FWL ) 7,0 60, elektr. Wirkungsgrad (η el ) 15% 33% 41% 46,3% (52,6%) therm. Wirkungsgrad (η th ) 81% 54% 46% 42,1% (): Kondenstationsbetrieb Folie 7

8 Methodische Vorgehensweise Referenz: Wirtschaftliche Analyse der wärmegeführten Fahrweise Entsprechend aktueller KWK-Förderung und Aktueller Energiepreise [Stand 2012, Zeitpunkt der KWKG-Novell.] Betrieb entsprechend Wärmebedarfsprofile A KWK-Anlage (wärmegeführt) Vh/a Stromerlös (KWKG + Markt) Wärmeerzeugungskosten A Folie 8

9 Methodische Vorgehensweise Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise Vollständige Wärmeversorgung des jeweiligen Versorgungsfalls bei gleichen spezifischen Wärmekosten wie im Referenzfall Unter zusätzlicher Berücksichtigung der stromseitigen Residuallast 2030 (Ansatz: wirkt sich voll auf Börsenstrompreise aus) Ermittlung notwendiger zusätzlicher Erlöse durch die Flexibilisierung A B KWK-Anlage (wärmegeführt) Vh/a KWK-Anlage (stromgeführt) (4.000 x) Vh/a Stromerlös (KWKG + Markt) Wärmeerzeugungskosten A Wärmeerzeugungskosten A Stromerzeugungskosten B Die Mehrkosten der Flexibilität ergeben sich dann aus der Differenz der Stromerzeugungskosten B und des Stromerlöses A Folie 9

10 Methodische Vorgehensweise Wirtschaftliche Analyse der stromgeführten Fahrweise unter zusätzlicher Berücksichtigung der für 2030 erwarteten stromseitigen Residuallast Unter Einbeziehung von Wärmespeichern Ermittlung sinnvoller Speichergrößen Unter zusätzlicher Einbeziehung von Elektrodirektheizern Betrieb in Phasen negativer Residuallast (Stromüberschuss) Unter Einbeziehung von Elektro-Wärmepumpen Einflüsse auf die Wirtschaftlichkeit der KWK Wirtschaftlichkeit der Elektro-Wärmepumpen Wirtschaftlicher Vergleich der KWK ggü. alternativ möglichen flexiblen Kraftwerken Gasturbinen-Kraftwerke und GuD-Kraftwerke als Alternative Ermittlung von Flexibilitätspotenzialen anhand der Modellergebnisse Folie 10

11 Modellbetrachtungen Wärmebedarfsprofil Stromresiduallastprofil 2030 Frage: Über wie viel Stunden des Jahres fallen Wärmebedarf und zusätzlicher Strombedarf (pos. RL) zusammen? wärmegeführt stromgeführt bei hoher Auslegung der KWK (4.000 Vh/a) Vh/a bei niedriger Auslegung der KWK (6.000 Vh/a) Vh/a Folie 11

12 Modellbetrachtungen Wärmespeicher können den Auslastungsverlust teilweise kompensieren (gezeigtes Beispiel: 1 MW BHKW, druckloser Speicher) h/a h/a Folie 12

13 Modellbetrachtungen Die spezifischen Investitionskosten ( /m³) für Wärmespeicher sinken mit zunehmender Speichergröße Drucklose Speicher: Quelle: IUTA 2002 Quelle: Eigene Ermittlung Folie 13

14 Zuwachs an Vollbenutzungsstunden des BHKW (Vh/a) Modellbetrachtungen Welche Speichergröße ist sinnvoll? Vergleich Speicher-Zusatzkosten mit Zuwachs an Vollbenutzungsstunden m³ / 12 h für 24,3 /(kwel*a) 100 m³ / 3,1 h für 9,5 /(kwel*a) 200 m³ / 6,2 h für 15,3 /(kwel*a) Jahreskosten des Wärmespeichers bezogen auf die elektr. Leistung des BHKW ( /(kwel*a)) Beispiel eines 1 MW-BHKW + druckloser Speicher Folie 14

15 Modellbetrachtungen In den Modellfällen gewählte Speichergröße: Speicher Mikro- BHKW Mini- BHKW Groß- BHKW GuD- HKW Volumen (m³) spezif. Investitionskosten ( /m³) * Reichweite (h) bei 30 K Temperaturspreizung * bereits in der Investition des BHKW enthalten Folie 15

16 stromgeführt stromgeführt Modellbetrachtungen Wie beeinträchtigt der E-Heizer die Auslastung der KWK-Anlagen und deren Erzeugungskosten? Fall 1 MW 1 kw 20 kw 6000 Vh/a 4000 Vh/a GuD Jährliche Vollbenutzungsstunden der KWK-Anlage wärmegeführt ohne E-Heizer E-Heizer: 200 h/a E-Heizer: 400 h/a erforderlicher Stromerlös der KWK-Anlage (ct/kwh) wärmegeführt 14,9 14,9 5,6 5,6 5,6 ohne E-Heizer 21,3 16,9 5,9 6,0 5,8 E-Heizer: 200 h/a 22,1 17,1 6,1 6,0 5,9 E-Heizer: 400 h/a 22,6 17,3 6,2 6,1 6,0 Anmerkung: Der E-Heizer arbeitet in den Zeiten höchster negativer Residuallast Für große KWK-Anlagen ergeben sich akzeptable Kostenaufschläge Folie 16

17 Modellbetrachtungen Welche Rolle spielt die Auslastung der KWK-Anlagen bei den Erzeugungskosten? Wärmeverteilungskosten sind berücksichtigt Große KWK-Anlagen verkraften eine reduzierte Auslastung besser als kleine Anlagen Folie 17

18 Modellbetrachtungen Wo liegen die Erzeugungskosten im Vergleich zu neuen Kraftwerken? Wärmeverteilungskosten sind berücksichtigt Die spez. Vollkosten der Kraftwerke sind im relevanten Bereich höher als bei den großen KWK-Anlagen Folie 18

19 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Einfamilienhaus (12 kw th,1 m³ Speicher) (hier: Betrieb bei negativer RL bis + 7 GW RL entspricht 10% max. RL) Eine Verknüpfung von WP + KWK ist in dieser Leistungsklasse unwahrscheinlich Die gewünschte Flexibilität macht bivalente Systeme erforderlich (z.b. WP + Heizkessel), selbst bei Integration sehr große Speicher Folie 19

20 Modellbetrachtungen Wie gut lässt sich die Wärmepumpe in die Flexibilisierung einbinden? Wärmenetz, 1 MW-BHKW m³ Speicher + Großwärmepumpe + Heizkessel (hier: Umschaltpunkt WP/BHKW bei + 7 GW RL entspricht 10% max. RL) BHKW Vh/a Hier stellen BHKW und Wärmepumpe eine ideale Ergänzung dar (Heizkesseleinsatz entfällt rechnerisch) Wärmenetze sind hierfür eine wichtige Voraussetzung Folie 20

21 Modellbetrachtungen Erzeugungskosten der Wärmepumpen in Abhängigkeit von der Auslastung Groß-Wärmepumpen reagieren weniger empfindlich auf eine verminderte Auslastung Folie 21

22 Perspektiven Wärmenetze sind wichtig zur Einbindung von Solarthermie etc. Beispiel Ringköbing (9.000 Einw.): Erzeugungsprotokoll für 14 Tage Folie 22

23 Perspektiven Große Fernwärmepotenziale stehen in Deutschland für diese Ausgleichsstrategien zur Verfügung Ausgleichspotenziale: 35 GW pos. RL (KWK) Fernwärme- 41 GW neg. RL (E-Heizer) bestand und -potenzial gemäß M. Blesl, IER 2010 Mehrkosten flexibilisierter KWK-Fahrweisen ca. 600 Mio. /a Jahreskosten für Wärmespeicher (12 h Reichweite) ca. 500 Mio. /a Folie 23

24 Perspektiven Mögliche Residuallastabdeckung bei voller Ausschöpfung der Wärmenetzpotentiale (Basis: 2/3 BHKW, 1/3 GuD-HKW, Ø Stromk. 0,96) KWK Elektroheizer KWK-Anlagen: Vh/a E-Heizer: 400 h/a Folie 24

25 Handlungsempfehlungen bereits jetzt: Erhalt und Ausbau von Wärmenetzen KWK als wichtigster Treiber für Wärmenetze Verbesserung der Fördersituation der KWK-Anlagen > 500 kw Unterstützung durch Wärmekataster/Wärmeentwicklungspläne DK-Alternative: Höhere Abgaben auf unerwünschte Energieträger allmählich: Förderung der KWK stärker auf flexible Betriebsweise ausrichten Anreiz für eine hohe Auslegung der KWK schaffen Einbindung von Wärmespeichern Raum für die Einbindung von Großwärmepumpen, Solarthermie etc. in naher Zukunft: Entgelte / Abgaben für Überschussstrom verringern und flexibilisieren Für eingebundene Elektroheizer mit nachweisbaren Systemmehrwert Absenkung der Umlagen bzw. Steuern Folie 25

26 Kontaktdaten Dr. Bernd Eikmeier Projektleiter Energiesystemanalyse Fraunhofer IFAM Wiener Straße Bremen Tel.: 0421 / bernd.eikmeier@ifam.fraunhofer.de Folie 26