Power-to-Heat in Hybridheizungen

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1 Power-to-Heat in Hybridheizungen Die ökonomischen Potenziale der Vernetzung von Strom- und Wärmemarkt Michael Bräuninger, Lars Ehrlich, Jonas Klamka, André Wolf

2 Herausforderungen durch die Energiewende: Fehlende Synchronität von Erzeugung und Verbrauch von Strom Beispiel: Weihnachten 2012 MWh MWh Einspeisemengen Strom aus Windkraft und Photovoltaik Stromverbrauch insgesamt Börsenpreis Spotmarkt EEX /MWh , 13 Uhr , 15 Uhr , 17 Uhr , 19 Uhr , 21 Uhr , 23 Uhr , 1 Uhr , 3 Uhr , 5 Uhr , 7 Uhr , 9 Uhr Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 37

3 Zukünftige Entwicklung des Erzeugungsmix Entwicklung installierte Stromerzeugungskapazitäten nach EEG-Novelle 2014 GW 80 75, ,0 52,0 52, ,0 37, , ,4 17,3 15, ,1 6,5 2,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0, Wind onshore Wind offshore Photovoltaik Quelle: BMWI (2014c); HWWI (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 38

4 Existierende Regelinstrumente: Speicher Stromspeicher Das Zwischenspeichern von Strom ermöglicht die (begrenzte) Überbrückung zeitlicher und räumlicher Ungleichgewichte Zentrale Speichertechnologien Pumpspeicher (ca. 5,65 GW) Druckluftspeicher Power to Gas/Wasserstoff Dena-Speicherstudie (2010): Massiver Ausbau notwendig Pumpspeicher haben negative externe Effekte: Hoher Flächenverbrauch Starke Eingriffe in Umwelt und Landschaftsbild Andere Speichertechnologien noch kaum entwickelt und unrentabel Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 39

5 Existierende Regelinstrumente: Lastregulierung Anteil Stunden am Tagesstromverbrauch für Haushalte und Unt. Prozent 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0.00 Uhr 2.00 Uhr 4.00 Uhr 6.00 Uhr 8.00 Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Quellen: E.On (2013); Eigene Berechnungen Unternehmen Haushalte Lastregulierung Unternehmen: Freiwillige Vereinbarungen (Lastmanagement nach 14 EnWG) Haushalte: Bisher geringe Potenziale, die weiter abnehmen, da Geräte immer effizienter werden Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 40

6 Integration des Heizsystems in die Stromversorgung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 41

7 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 42

8 Derzeitige Residuallast auf Stundenbasis 1. Informationen über viertelstündliche Erzeugungsdaten im Bereich Wind- und Solarenergie 2. Stündliche Daten zu Lastgängen im Jahresverlauf Residuallast Deutschland 2012 (Tagessummen) GWh Quellen: EEX, Übertragungsnetzbetreiber, ENTSOE (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 43

9 Prognose für die Residuallast auf Stundenbasis Skalierung der stündlichen Erzeugung im Beispieljahr 2012 auf das Jahr 2020 und 2032 Grundlage: Studien zur Entwicklung installierter Kapazitäten und Auslastungsgrade von Windkraft / Photovoltaik Annahme: Konstanter Stromverbrauch Prognosen: Installierte Kapazitäten 2020 und 2032 (GW) Wind onshore Wind offshore 0,6 6,5 28 Photovoltaik 37, Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 44

10 Prognose des Börsenpreises von Strom Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 45

11 Markt für Regelenergie: Das Design 5 Minuten 15 Minuten PRL SRL MRL Ausgleich durch betroffenen Bilanzkreisverantwortlichen 30 Sekunden 1 Stunde Primärregelleistung (PRL) Sekundärregelleistung (SRL) Minutenreserveleistung (MRL) Minimale 1 MW 5 MW 5 MW Angebotsgröße Vorlaufzeit 30 Sekunden 5 Minuten 15 Minuten Ausschreibungszeitraum wöchentlich wöchentlich täglich Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 46

12 Markt für Regelenergie: Die Leistungspreise Durchschnittlicher Leistungspreis in Euro pro MW und Tag. Grau MRL, rot SRL Deutlicher Zuwachs der Kosten für Minutenreserveleistungsvorhaltung zwischen 2012 und Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 47

13 Markt für Regelenergie: Die zukünftige Entwicklung + - Ausbau der Erneuerbaren führt zu mehr inflexibler, schwankender Erzeugung. Konventionelle Kraftwerke werden verdrängt. Verbesserungen der Prognosetechnik erlauben bessere Steuerung. Überregionale Kooperation und zunehmende Liquidität ermöglichen kurzfristigen Fahrplanausgleich. Konservative Annahme: Konstanter Bedarf Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 48

14 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 49

15 Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen Verteilung des Wärmeverbrauchs über den Tag Wärmebedarf wird über Strom gedeckt, sofern dies günstiger ist Der bauliche Wärmeschutz variiert nach Modernisierungszeitpunkt und Alter => der spezifische Endenergieverbrauch für Wärme liegt zwischen kwh/qm p.a. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 50

16 Annahmen zum Strompreis für Heizen Szenario Status Quo Szenario PtH-Strom Börsenpreis Börsenpreis + + ca. 16 ct/kwh für Netzentgelt 6,052 ct/kwh + EEG-Umlage 6,24 ct/kwh + Konzessionsabgabe 1,59 ct/kwh + Stromsteuer 2,05 ct/kwh ca. 10 ct/kwh für Netzentgelt + EEG-Umlage + Konzessionsabgabe + Stromsteuer + + MwSt 19 % MwSt 19 % Im Folgenden angenommen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 51

17 Jährliche Ersparnis durch die Hybrid-Technologie bei variablen Stromtarifen Brennstoffpreise Konstant Brennstoffpreise im Trend Verbrauch in kwh Monetär in Verbrauch in kwh Monetär in Jahr Jahr Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 52

18 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Chancen 1) PtH-Heizungen können als virtuelles Kraftwerk (Pool) negative Minutenreserveleistung anbieten. 2) Privater Nutzen: Erlösen am Regelenergiemarkt. 3) Gesellschaftlicher Nutzen: Kostengünstigere Bereitstellung der Regelenergie. 1) Vorschriften zur Präqualifikation von Regelenergie-Anbietern sind für großen Anbietern ausgelegt. 2) Hohe Kosten für die Präqualifizierung vieler kleiner Einheiten im Pool. 3) Die IKT zum Abrufen der Regelleistung ist noch teuer. Es besteht ein erhebliches Kostensenkungspotenzial. Hindernisse Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 53

19 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Beispielrechnung: Annahmen: Minimaltemperatur: 35 C; Maximaltemperatur: 85 C Zeitscheibe: 00:00 bis 04:00 Uhr Gebotsgröße: 5 MW Teilnehmer: 834 Heizungen je 6 kw Heizstab (5004 kw) Speichervolumen: 500/750/1000 Liter Wärmeprofil vom Durchschnittshaushalt IKT-/Präqualifizierungs-/Poolbetreiberkosten nicht berücksichtigt Angebot zum Durchschnittspreis Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 54

20 PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Methodik zur Berechnung des Erlöspotenzials: 1. Ladung am um 04:00 Uhr 2. Speichertemperatur abzüglich des Verbrauchs und der Bereitschaftsverluste 3. Neue Ladung am nächsten Tag um 04:00 Uhr, falls um 00:00 Uhr Differenz zwischen aktueller Speichertemperatur und Maximaltemperatur ausreicht, um 4h den Heizstab bei voller Leistung zu betreiben. Speichervolumen 500 Liter 750 Liter 1000 Liter Tage ohne Ladung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 55

21 Amortisationsrechnung: Investitionskosten Beispielrechnung: Mehrkosten bei Heizungsmodernisierung Kostenseite + Pufferspeicher mit Trinkwarmwasserstation PtH-tauglicher Elektroheizer Trinkwarmwasserspeicher alleine 700 Gesamt Investitionskosten Erlösseite Ersparnis in der Wärmeerzeugung Zu erwartende Bereitschaftsentgelte aus der Bereithaltung von Regelenergie Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 56

22 Amortisationsrechnung Investitionskosten Einsparungen konst. Brennstoffkosten 64 /a Erlöse aus Regelenergie 28,5 /a Amortisationszeit 19,3 Jahre Trend Brennstoffkosten 9,5 125,1 /a Jahre Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 57

23 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 58

24 Gesamtwirtschaftliche Potenziale Ermittlung Erzeugungsüberschüsse: Vorgehensweise Bestimmung des Schwellenwerts aus dem Zusammenhang zwischen Residuallast und Börsenpreisen Intuition: Zu Preisen unterhalb des Schwellenwerts sollte selbst Grundlasterzeugung aus dem Markt gedrängt werden Das wäre bei Preisen der Fall, die die Gestehungskosten von Kernkraft und Braunkohle nicht mehr decken Schwellenwert: Residuallast ~3 / Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 59

25 Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen 2013 gab es in Deutschland rund 5,8 Mio. (ca. 30 %) mit Heizöl und über 13 Mio. (ca. 64 %) mit Gas betriebene zentrale Wärmeerzeuger. Davon befinden sich etwa 85 % in Ein- und Zweifamilienhäusern. Alle ab 2014 neuinstallierten Brennwertkessel sind potenzielle PtH-Hybridheizungen. Annahme: Nur bei 20% wird tatsächlich eine PtH-Hybridheizung installiert. Zwei Szenarien für die Zahl der Modernisierungen: Szenario 1: Fortschreibung der Modernisierungsrate aus der jüngeren Vergangenheit von Öl- und Gas-Brennwertkessel Szenario 2: Verdopplung der Heizungsmodernisierung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 60

26 PtH-Überschussstromnutzungsquote Optimaler Heizstromverbrauch der einzelnen Anlage Der volkswirtschaftlich erwünschte Beitrag zur Netzstabilität wird durch die Preisszenarien determiniert 2032 Modernisierung im Trend Verstärkte Modernisierung Szenario Brennstoff konstant Brennstoff Trend Brennstoff konstant Brennstoff Trend PtH-Preise 4,7 % 14,7 % 7,8 % 25,2% Bei Spitzenlasten geringere PtH-Überschussstromnutzungsquote. Höhere PtH-Anteile führen zu höheren Quoten PtH allein reicht nicht zur Stabilisierung, kann aber mit schon heute vorhandenen und rentablen Technologien beitragen Weiterer positiver Effekt: Sinkende Kosten der Regelenergie Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 61

27 Gesamtwirtschaftliche Potenziale der Nutzung von dezentralem PV-Strom Jahresende 2013: ca. 1,4 Millionen installierte PV-Anlagen in Deutschland (ca. 35,7 GW Leistung) Enge räumliche Korrelation mit Ölheizungen Nutzung von überschüssigem PV-Strom als Wärmequelle: Entlastung ländlicher Verteilnetze, reduziert den Ausbaubedarf Bei Erreichen von Ölparität zudem Kostenersparnis auf individueller Ebene denkbar Vorgehen: Ermittlung des physischen Potenzials von PV zur zukünftigen Deckung des Wärmebedarfs Leitung von überschüssigem PV-Strom (nach Deckung des Eigenbedarfs an Strom) in den Heizstab zur Wärmeerzeugung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 62

28 Schätzung der Potenziale von dezentralem PV-Strom 1. Schätzung von Erzeugungspotenzialen nach Standort und Anlagengröße Liefert Durchschnittserzeugung in sehr feiner räumlicher Auflösung für einzelne Monate Ermöglicht ortsgleiche Schätzungen von PV-Erzeugung und Wärmebedarfen 2. Schätzung des monatlichen Stromverbrauchs Verbrauch eines 4-Personen-Haushaltes im Jahr 2012 Verteilung über Monate mittels synthetischer Lastprofile 3. Schätzung des monatlichen Wärmebedarfs Bundeslandspezifische Heizlastprofile Division der kumulierten Monatswerte durch Anzahl an Brennwertheizungen im Bundesland Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 63

29 Ergebnis: Nutzung von dezentralem PV-Strom für Wärmebedarf Quelle: Europäische Kommission, HWWI (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 64

30 Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 65

31 Fazit Dezentrale PtH-Hybridheizungen 1 können bei künftigen Modernisierungen von Öl- und Gasheizungen zu relativ geringen Kosten installiert werden. 2 sind mit heutigen Technologien realisierbar und rentabel. 3 haben durch ihre flexible Stromnachfrage ein hohes Potenzial für die Nutzbarmachung von überschüssigem EE-Strom. 4 5 tragen zur Stabilisierung der Netze bei. Aufgrund der räumlichen Nähe der PtH-Hybridheizungen zu den EE-Erzeugungsanlagen gilt dies besonders für die Verteilnetze. führen zu einer Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien im Wärmebereich. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 66

32 Handlungsempfehlungen Zur Sicherstellung der einzelwirtschaftlichen Rentabilität von PtH-Hybridheizungen sollte 1 die Belastung von PtH-Strompreisen durch Abgaben und Umlagen möglichst gering gehalten werden. 2 eine Senkung der Zugangsbarrieren für PtH- Hybridheizungen am Markt für Regelenergie erfolgen. 3 flexible Strompreise auf Haushaltsebene eingeführt werden. Der Ausbau der Infrastruktur von Informations- und Kommunikationstechnik gefördert werden. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 67

33 Ein Vortrag im Rahmen der Die Leitveranstaltung für Energieeffizienz in Deutschland fand in diesem Jahr vom 27. bis zum 29. April 2015 im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt. Weitere Informationen und alle Vortragsunterlagen zu rund 300 Vorträgen aus 52 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner Energietage 2015 finden Sie unter Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der Rechteinhaberin erfolgen Referent(in) / Veranstalter(in) Diese Seite darf nicht entfernt werden. Für die in diesen Unterlagen bereit gestellten Informationen kann keine Haftung übernommen werden. Den Berliner Energietagen wurden diese Folien durch die Veranstalter(in) / den Referent(inn)en freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt.