Die Rolle von Sektorkopplung und Flexibilisierung zur kosteneffizienten Zielerreichung - auf Basis der Studie Interaktion Strom, Wärme, Verkehr

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1 Fraunhofer IWES Energiesystemtechnik Norman Gerhardt Berlin, 21. November 216 Plattform Strommarkt - Die Rolle von Sektorkopplung und Flexibilisierung zur kosteneffizienten Zielerreichung - auf Basis der Studie Interaktion Strom, Wärme, Verkehr

2 Gliederung Motivation Szenario für unteres Klimaziel 25 kosteneffizient Kosteneffiziente Sektorkopplung direktelektrisch Kosteneffiziente Flexibilisierung Rangfolge: Netze und Import/Export, flexibler Kraftwerksbetrieb, flexibler Betrieb WP und EMobilität, Hybridsysteme, H 2 /P2G Effizienz zentral um Kosten/Stromverbrauch zu begrenzen Lösungsraum 25 unteres/oberes Klimaziel Rolle E-Mobilität Rolle Wärmepumpen Schlussfolgerungen & Handlungsempfehlungen

3 Emissionen [Mio. t CO 2-Äqui. ] Unsere langfristigen Klimaziele sind sehr ambitioniert Klimaziele 25 Reduktion von -8% bis -95% der Treibhausgase COP21 Paris Konsequenzen für Energiesektor Historisch Ziel 25-95% -8% Internationaler Verkehr LULUCF Energiesektor Strom Wärme/Industrie Verkehr Verkehr (National) Industrie Gebäudewärme -2 Strom Nichtenergetische Emissionen

4 Motivation für Sektorkopplung Sektorkopplung geht nicht von Stromerzeugung aus Es geht nicht darum überschüssigen Wind- und PV-Strom zu nutzen bzw. Flexibilitätsoptionen für den Strommarkt zu finden Sektorkopplung dient der Dekarbonisierung und geht von den Sektoren aus, die Strom brauchen um CO 2 -Ziele zu erreichen! Für diese Sektoren muss zusätzlicher Wind- und PV-Strom ausgebaut werden! Flexibilität aus der Sektorenkopplung ist dabei eine zusätzliche Anforderung für ein effizientes Gesamtsystem!

5 Geringe Effizienz Hohe Effizienz Welche Schlüsseltechnologien sind erforderlich? Große Vielfallt an Technologien aber zwei grundsätzliche Einteilungen: 1. E-Mobilität und Wärmepumpen: auch unter Graustrommix 2. Elektrodenkessel (PtH) und Elektrolyse (PtG): Verfügbarkeit von Stunden mit 1%EE-Strom Wind / PV E-Mobilität Wärmepumpen PtH PtG Innovationen: Pkw: BEV, PHEV, REEV; OH-Lkw, Dezentral. Luft-WP, Sole- WP; Groß-WP in der Industrie und in Wärmenetzen, Elektrodenkessel in der Industrie und in Wärmenetzen; dezentral Heizstäbe, H 2, PtG, PtL, Neue el. Verfahren in der Industrie

7 Sektorkopplung in der Entwicklung bis 25? Sektorkopplung = Effiziente Nutzung von EE-Strom zur Dekarbonisierung anderer Sektoren Roadmap Gesamtsystem: Fokus 25 Effizienz als Kombination von Verbrauchsreduktion und Elektrifizierung

8 Erzeugung / Verbrauch [TWh] Deutschland 25 - Stromverbrauch und -erzeugung Biomasse Wasser Wind PV Geothermie Kohle Gas Uran 994 TWh 99 TWh THG-Minderungsziel von -83% (europäischer Lastenausgleich) Begrenzte Biomasse 2 Mio. ha NaWaRo unterstellt Inkl. internationaler Verkehr Optimale Strombilanz 25: Steigerung Nettostromverbrauch von Heute 56 TWh auf 8 TWh in 25 Rückwirkungen auf den EE-Ausbau Langfristig hoher PV-Anteil wirtschaftlich Sehr hohe EE-Leistungen für eine flukt. EE-Stromerzeugung von 67 TWh Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) Netzverluste Speicherverluste Oberleitungs-Lkw E-Pkw Klimatisierung Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Power-to-Gas Herkömml. Verbrauch EE-Abregelung Müll-HWK, Klärgas GT GuD KWK Netto-Import Laufwasser Wind-Offshore Wind-Onshore Effizienz ist sehr wichtig um EE- Ausbaubedarf im Rahmen zu halten Erzeugung Verbraucher PV

9 Insbesondere das Potenzial dezentraler Flexibilität muss gehoben werden! Leistungen 25: einer hohen fluktuierenden Erzeugungsleistung steht ein flexibler Stromverbrauch gegenüber Wind- und PV können effizient ins System integriert werden

10 Verbraucher Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher Stromver brauch/-erzeugung [TWh/a] Wie sieht eine von fluktuierender EE-Einspeisung dominierte Welt aus? 2 Wochen in 25 Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 25 Biomasse Wasser Wind PV Geothermie Kohle Gas Uran 994 TWh Erneuerbare Erzeugung Konventionelle Erzeugung GW % Szenario -83% Szenario -95% Szenario -95% Szenario Power-to-Liquid Power-to-Liquid Erzeugung und Strombedarf in Deutschland 25 - Meteo-Jahr 26, 15./16. Kalenderwoche Power-to-Gas Power-to-Gas Last Oberleitungs-Lkw Oberleitungs-Lkw E-Pkw E-Pkw Klimatisierung Klimatisierung Wärmepumpen Wärmepumpen Power-to-Heat Power-to-Heat / Industrie-WP / Industrie-WP Netzverluste Netzverluste Speicherverluste Speicherverluste Herkömml. Verbrauch Herkömml. Verbrauch EE-Abregelung EE-Abregelung Müll-HWK, Klärgas Müll-HWK, Klärgas GT GuD KWK GT GuD KWK Netto-Import Netto-Import Laufwasser Laufwasser Wind-Offshore Wind-Offshore Wind-Onshore Wind-Onshore Mitte April Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So PV PV Wochentag Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %) Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Batteriespeicher Gas GuD/GT BHKW Gas - KWK Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH PtG Abregelung 99 TWh

11 Wirkung der Sektorkopplung 1 PV 5 Darstellung als Jahresdauerlinien Herkömmlicher Verbrauch Überspeisung Wind Wasser -5 Abfall Erzeugung und Strombedarf in Deutschland 25 - Meteo-Jahr 26, 15./16. Kalenderwoche -1 Erneuerbare Erzeugung GW Residual -last Last Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore Biomasse Laufwasser 2 12 Import/ Export Speicher Gas-Kond. Netto-Export Netto-Import 5-3 Gas-KWK -75 Konventionelle Erzeugung Mo Di Mi Do Fr Sa -2 So Geringer Anstieg durch neue Verbraucher -15 Mo Wochentag Di 1 Mi 2 Residuallast RL - Im + Ex Abregelung PSW-Turbine Batteriespeicher Gas GuD/GT BHKW Gas - KWK Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH PtG Abregelung Speicher Klima PtG PtH Hoher Anstieg durch neue Verbraucher Do 3 Fr 4 Sa So WP Pkw OH-Lkw 8

12 Hohe Bedeutung von neuen flexiblen Verbrauchern Sommer/Übergangszeit E-Mobilität integriert PV Mitte April PV E-Mobilität

13 Hohe Bedeutung von neuen hybriden Verbrauchern Winter Oberleitungs-Lkw schaltet zur Höchstlast ab Hybridsystem aus KWK + PtH Anfang Februar Oberleitungs-Lkw KWK PtH

15 Effizienz ist zentral um Stromverbrauch zu begrenzen 2 Extrem-Beispiele einer EE-Vollversorgung Wenig Energieeinsparung u. viel Power-to-Gas Heute Viel Energieeinsparung viel Elektromobilität & viele Wärmepumpen

16 Erzeugung/Verbrauch [TWh] Einfluss Dämmstandard Gebäude Basis (Höherer Dämmstandard) Varianz (Niedriger Dämmstandard) Endenergie Wärme [TWh] Bessere Dämmung: Einsparungen beim Wärmebedarf um 112 TWh + höheren JAZ bei WP Erhöhung des Strombedarfs um 99 TWh el um Klimaziel einzuhalten 16

17 Einfluss Grad der Elektrifizierung Verkehr Kein Oberleitungs-Lkw weniger E-Kfz mehr Gas höherer Stromverbrauch von 144 TWh um Klimaziel einzuhalten Pkw/LNF Status Quo: Stromerzeugung von 12 TWh aus Wind und Solar! SNF

19 Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher Stromver brauch/-erzeugung [TWh/a] Unterschied -8% / -95% THG? Anstieg PtG/PtL Max. Effizienz Max. direkte Stromnutzung Frage: nationales PtG/PtL oder Importe? Aus: Projekt "Sektorübergreifende Energiewende" für Agora Energiewende (in Bearbeitung) ?? 21-83% Szenario -95% Szenario Power-to-Liquid Power-to-Gas Oberleitungs-Lkw E-Pkw Klimatisierung Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Netzverluste Speicherverluste Herkömml. Verbrauch EE-Abregelung Müll-HWK, Klärgas GT GuD KWK Netto-Import Laufwasser Wind-Offshore Wind-Onshore PV

20 Bestandsentwicklung E-Kfz ambitioniert Hoher E-Mobilitätsanteil Erdgas als Brückentechnologie Diesel ICE ICE - Benzin - Diesel HEV HEV - Benzin ICE - Diesel - Diesel ICE ICE HEV - CNG - Benzin - Diesel HEV ICE HEV - CNG -- Benzin BEVHEV ICE - Benzin - CNG PHEV - Strom ICE HEV - CNG - PHEV HEV - Fossil BEV - CNG REEV PHEV BEV- - Strom PHEV REEV PHEV - Fossil - FCEV - H2 FCEV REEV - H2 - Strom REE 1% 1% 8% 8% Fahrleistung 6% 4% 6% 4% 2% 2% % % Jahr Jahr Jahr

21 Bestandsentwicklung E-Kfz 95%-Szenario weitere Steigerung Sehr hoher Anteil E-Kfz und voll-elektrischer Fahrzeuge (BEV) Steigerung elektrischer Fahranteil Hybrid (PHEV) und Oberleitungs-Lkw Diesel ICE ICE - Benzin - Diesel HEV HEV - ICE Benzin - Diesel - Diesel ICE ICE HEV - CNG - Benzin - Diesel HEV ICE HEV - CNG -- Benzin BEVHEV ICE - Benzin - CNG PHEV - Strom ICE HEV - CNG - PHEV HEV - Fossil BEV - CNG REEV PHEV BEV- - Strom PHEV REEV PHEV - - Fossil FCEV - H2 FCEV REEV - H2 - Strom REE 1% 1% 8% 8% Fahrleistung 6% 4% 6% 4% 2% 2% % % Jahr Jahr Jahr

22 Installierte Wärmepumpen [Mio.] Mindestniveau ohne Lock-In-Effekte - Wärmepumpen Welche Bestandsentwicklung ist bis 23 notwendig, um -95%-Szenarien nicht auszuschließen? 2 15 Aus: Projekt "Sektorübergreifende Energiewende" für Agora Energiewende (in Bearbeitung) Historisch Oberes Klimaziel - ISWV-95 Unteres Klimaziel - ISWV-83 Oberes Klimaziel - KSz-95 Unteres Klimaziel - KSz-8 Um langfristig hohe Klimaschutzziele (-95% THG aus Sicht des Gesamtsystems) nicht auszuschließen, müssen auch 23 bereits ambitionierte Ziele gesetzt werden; andernfalls droht eine Zielverfehlung

24 Schlussfolgerungen Grundsätzliche Erkenntnis Sehr hohe CO 2 -Vermeidungskosten bei langfristigen Zielen Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist das kostengünstigste Szenario auch des effizienteste (als Kombination von Verbrauchsreduktion und direktelektrischen Verbrauchern)! Sektorkopplung dient der Dekarbonsierung. Die Flexibilität der neuen Verbraucher ist dabei eine notwendige Vorraussetzung! Bei geringerer Effizienz steigt der Stromverbrauch schnell an und und der Mehrverbrauch übersteigt sehr schnell den gesamten bisherigen Wind- /PV-Ausbau 12 TWh Akzeptanz und Kosten Vergleich 8% - 95% Noch weitere Senkung des Nutzenergieverbrauch Noch weitere Steigerung der direktelektrischen Verbraucher

25 Handlungsempfehlungen Der Ausbau für Wind und PV muss Verbrauchsentwicklung der Sektorkopplung berücksichtigen Verbrauchsreduktion in den Energiesektoren Frühzeitig hohe Marktanteile von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden und den verschiedenen Anwendungen (dezentral, Quartierskonzepte, Fernwärme, Industrie, ) Frühzeitig hohe Marktanteile von E-Mobilität in den verschiedenen Anwendungen (Pkw, Oberleitungs-Lkw, Busse, ) Der Schlüssel dafür die der faire Wettbewerb zwischen Strom und fossilen Brennstoffen

26 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Norman Gerhardt Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse Tel.: Fraunhofer IWES Königstor Kassel