Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien. BEE Plattform Systemtransformation

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1 Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien BEE Plattform Systemtransformation Dialogkonferenz Stefan Brühl

2 Netzberatung Managementberatung Marktberatung Unternehmen BET ist seit 20 Jahren ein führendes Beratungsunternehmen für die Energie- und Wasserwirtschaft mit Büros in Hamm und Leipzig und einer Tochtergesellschaft in der Schweiz. Die BETsteht für Konzepte, die Wettbewerb fördern und funktionierende Märkte gewährleisten. Wir sind ein von Einzelinteressen unabhängiges Beratungsunternehmen. Alle Gesellschaftsanteile werden von den Geschäftsführern und Mitarbeitern gehalten. Kunden Zu den Kunden der BET gehören Stadtwerke, Netzbetreiber, Energiehändler, dezentrale Erzeuger, Großkraftwerksbetreiber, Kooperationsgesellschaften und energieintensive Industriekunden. Im Rahmen unserer Politikberatung betreuen wir Behörden, Ministerien und politische Entscheidungsträger. Deutschland ist unser Kernmarkt. Wir richten unseren Fokus aber zunehmend auch auf die europäischen Energiemärkte. Beratung Unsere Arbeit umfasst alle Schritte vom strategischen Konzept bis hin zur Umsetzung in allen Wertschöpfungsstufen der Energie- und Wasserwirtschaft. Wir erarbeiten gemeinsam mit unseren Kunden innovative und praxisnahe Lösungen, weil wir sowohl die betriebs- und energiewirtschaftlichen, als auch die technischen Grundlagen umfassend beherrschen. Wir verfügen über ein erfahrenes Expertenteam aus mehr als 50 Ingenieuren, Wirtschaftsingenieuren und Ökonomen. Entsprechend der Aufgabenstellung werden die Projektteams geschäftsbereichsübergreifend besetzt. Unser Anspruch ist, mit interdisziplinär vereintem Fachwissen und erfolgsorientierter Kreativität genau die Lösung zu finden, die passt. 2

3 Kurzvorstellung Jahrgang 1986 Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der Universität Rostock, Fachrichtung Energie- und Umwelttechnik, Rechnungswesen und Controlling 2012 : Berater KEMA Consulting GmbH, Bonn im Bereich Erneuerbare Energien und Marktmodellierung Dipl. Wirt.-Ing. Stefan Brühl seit 2013: Berater bei BET Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH in Aachen im Team dezentrale Energiesysteme Thematische Schwerpunkte: Erneuerbare Energien Kraft-Wärme Kopplung Energiespeicher Energiemarktmodelle und -szenarien 3

4 Inhalt Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen I Teil 1 I Technologieübersicht und Kriterien I Teil 2 I Eigenschaften und Systemrelevanz der Flexibilitätsoptionen I Teil 3 I Handlungsempfehlungen für die Politik I Teil 4 I 4

5 Die Erneuerbaren Energien decken im Jahr 2030 fast 80% des Strombedarfs. TWh Ausbau der Erneuerbaren Energien im BEE-Szenario Biomasse Geothermie Photovoltaik Windenergie offshore Windenergie onshore Wasserkraft

6 Definition Flexibilität Flexibilität ist die Eigenschaft der Summe aller Erzeugungsanlagen und Stromverbraucher, die Schwankungen der Residuallast (Nachfrage minus nicht disponible Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien) auszugleichen. Sie kann in folgende Teilaspekte gegliedert werden: Positive und negative Bereitstellung von Leistung Maximale Dauer der Leistungsbereitstellung Schnelligkeit der Leistungsbereitstellung (Gradient) Derzeit wird nahezu alle benötigte Flexibilität durch den konventionellen Kraftwerkspark und Pumpspeicherkraftwerke bereit gestellt (negative Residuallast tritt noch nicht auf). In geringem Maße werden regelbare Lasten für die Minutenreserve eingesetzt. Mit zunehmendem Anteil Erneuerbarer Energien steigt der Bedarf an Flexibilität und sinkt das Angebot aus konventionellen Kraftwerken. Netzausbau wird hier nicht als eigene Flexibilitätsoption betrachtet, sondern als Voraussetzung, dass die Flexibilitätsoptionen optimal eingesetzt werden können. Gleichwohl kann durch gezielten Einsatz der Flexibilitätsoptionen an Orten mit Netzengpässen auch Netzausbau vermieden werden. 6

7 Die Anforderungen an die Flexibilität steigen. Residuallast = Verbraucherlast minus Erzeugung aus Erneuerbaren Energien P max Positiver Gradient Negativer Gradient Dauer Stromüberschuss Stromdefizit Residuallast Dauer Stromdefizit Stromüberschuss 7

8 Ab 2020 treten zunehmend Situationen mit Stromüberschüssen auf. EE-Erzeugung 21% EE-Erzeugung 47% ohne Berücksichtigung von Netzengpässen EE-Erzeugung 79% 8

9 Die meisten Überschusssituationen dauern auch bei einem Anteil der Erneuerbaren Energien von 79% maximal einen halben Tag. 40 Stunden Häufigkeit pro Jahr zusammenhängende Stunden mit negativer Residuallast Saisonalspeicher noch nicht erforderlich 9

10 Es gibt eine Vielzahl an Technologien und Maßnahmen zur Flexibilisierung des Systems. Lastmanagement Flexibilisierung der Nachfrage in der Industrie Flexibilisierung der Nachfrage in Haushalten und Kleinverbrauch Überschussstrom zu Wärme Bedarfsgerechtere EE-Stromerzeugung Einspeisemanagement Wind & PV Am Strombedarf orientierte Fahrweise von Biomasse-Anlagen Stromgeführte Fahrweise Wasserkraft Verbesserte Auslegung von Wind/PV- Anlagen Konventionelle Kraftwerke (inkl. KWK) Bestehende Kraftwerke Retrofit bestehender Kraftwerke Neubau hochflexibler thermischer Kraftwerke Stromgeführte Fahrweise KWK (in Verbindung mit Wärmespeichern) Nutzung von Netzersatzanlagen Stromspeicher Pumpspeicher in Deutschland Pumpspeicher im Ausland Gasproduktion aus Biomasse statt direkter Verstromung Power to gas Batterien Druckluftspeicher 10

11 Die Flexibilitätsoptionen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Möglichkeiten. Potenzial Zuschaltgeschwindigkeit aus dem Stillstand Maximale Dauer der Bereitstellung Wirtschaftlichkeit Laständerungsgeschwindigkeit Kosten Entwicklungsstand Ökologische Auswirkungen Zeitpunkt wann benötigt Systemrelevanz im Zeitverlauf 11

12 Übersicht: Wesentliche Eigenschaften der Flexibilitätsoptionen (1) Demand Side Management (DSM) DSM Industrie Geschätztes Dauer Schnelligkeit Potenzial 1) in % / min. +2 / -0,7 GW [DENA]; +0,5 / -4,4 GW [VDE]; kurzfristig DSM Haushalte ca. +0,6 GW / -2,3 GW bis 2030 DSM Haushalte elektrische Wärmepumpen Überschussstrom zu Wärme max. +0,45 GW (Winter) / -2,2 GW (Sommer) bis 2030 mehr als -10 GW; kurzfristig 1 bis 4 Stunden einige Stunden ca. 2 Stunden Bemerkungen % kurzfristig und kostengünstig nutzbares Potenzial; höheres Potenzial für Abschaltungen im Minutenbereich bzw. zu hohen Kosten 100% (ohne Wärmepumpen) 100% Quelle: ecofys, prognos, 2011; Dauer mit Wärmespeicher auch länger unbegrenzt % nur negative Leistung, abh. vom Wärmebedarf Erneuerbare Energien Einspeisemanagement Wind & PV Strombedarfsorientierter Einsatz Biogas und feste Biomasse Strombedarfsorientierter Einsatz Biomethan unbegrenzt unbegrenzt 100% nur negative Leistung; bei gedrosselter Fahrweise auch positive Regelleistung möglich max. +/ - 16 GW bis bis 12 Stunden Wochen bis Monate 5-20% bei Einspeisung ins Erdgasnetz 1) Potenzial positiv = Bereitstellung zusätzlicher Erzeugungsleistung bzw. Abschaltung von Lasten Potenzial negativ = Abschalten von Erzeugungsleistung bzw. Zuschaltung von Lasten 12

13 Übersicht: Wesentliche Eigenschaften der Flexibilitätsoptionen (2) Kraftwerke und KWK Stromgeführter Einsatz KWK Nutzung bestehender Kraftwerke Retrofit bestehender Kraftwerke Neubau flexibler Kraftwerke Nutzung Netzersatzanlagen Geschätztes Potenzial max. +/ - 25 GW bis 2020 Dauer 4 bis 12 Stunden Schnelligkeit in %/min. Bemerkungen 5-20% auf Basis 20%-Ziel der Bundesregierung; davon ca. +9/-4,5 GW bereits flexibel eingesetzt heute ca. 80 GW unbegrenzt 1-2% Leistung abnehmend gemäß Sterbelinie ca. +3 GW Delta zw. Pmin und Pmax bis 2020 unbegrenzt 4-8% Entscheidung für Retrofit nur wenn wirtschaftlich unbegrenzt unbegrenzt 4-10% abh. von Technik, Gasturbinen auch schneller geschätzt 5-8 GW bis 2020 einige Stunden % nur positive Leistung 13

14 Übersicht: Wesentliche Eigenschaften der Flexibilitätsoptionen (3) Stromspeicher Pumpspeicher (Deutschland) Druckluftspeicher ( CAES ) Geschätztes Potenzial ca. 10 GW und 78 GWh bis 2020; langfristig bis zu 2 TWh beliebig groß, ca. 0,8 2,5 TWh Bis 2030 Dauer Stunden bis Tage Stunden bis Tage Batteriespeicher unbegrenzt Stunden bis Tage Power to Gas unbegrenzt Wochen bis Monate Schnelligkeit in %/min. Bemerkungen % geringe Energiedichte, einzige bewährte und kostengünstige Speichertechnologie, technisch auch als Langzeitspeicher geeignet, aber kein ausreichendes Potenzial 20% adiabate CAES (Wirkungsgrad ca %) noch in der Entwicklungsphase, rel. kostengünstig, weniger effizient und teurer als Pumpspeicher 100% teure Option, hohes Entwicklungs- und Kostensenkungspotenzial Nicht relevant aus heutiger Sicht einzige Langfristspeicheroption mit ausreichendem Potenzial, niedriger Wirkungsgrad (Strom zu Strom 30-45%), früherer Einsatz für Gaserzeugung für Verkehr 14

15 Sinnvoller Einsatz der Flexibilitätsoptionen auf der Zeitschiene EE-Erzeugung 1) 22% 47% 79% ca. 100% ca. 120% DSM Industrie DSM Haushalte, Gewerbe Überschussstrom zu Wärme Einspeisemanagement Wind & PV Strombedarfsorientierter Einsatz Biogas und feste Biomasse Strombedarfsorientierter Einsatz Biomethan (Einspeisung ins Erdgasnetz) Nutzung bestehender Kraftwerke Flexibilitätssteigerung bestehender Kraftwerke durch Retrofit Neue flexible Kraftwerke Stromgeführte KWK Nutzung Netzersatzanlagen Pumpspeicher Druckluftspeicher (?) 1) % des Verbrauchs; die nutzbare EE-Erzeugung ist kleiner wegen Speicherverlusten. Power to Gas (CH 4 ) Batteriespeicher Power to Gas (H 2 ) 15

16 Systemrelevanz der Flexibilitätsoptionen Bewertungskriterien: Kosteneffizienz, Potenzial, technische Reife 2013 Ist 2013 Soll Lastmanagement Industrie gering gering mittel mittel mittel mittel Lastmanagement Haushalte, Gewerbe null null gering gering mittel mittel Lastmanagement Wärmepumpen null gering gering mittel mittel mittel Überschussstrom zu Wärme null gering 1) gering 1) gering mittel mittel Einspeisemanagement Wind & PV gering 1) gering 1) gering mittel hoch hoch Strombedarfsorientierter Einsatz Biomasse gering hoch hoch hoch hoch hoch Strombedarfsorientierter Einsatz Biomethan gering hoch hoch hoch hoch hoch Nutzung bestehender Kraftwerke hoch hoch hoch mittel gering null Flexibilitätssteigerung durch Retrofit mittel mittel mittel gering gering gering Neue flexible Kraftwerke null null hoch hoch mittel mittel Stromgeführte KWK gering hoch hoch hoch hoch hoch Nutzung Netzersatzanlagen gering gering mittel mittel mittel mittel Pumpspeicher hoch hoch hoch hoch hoch hoch Druckluftspeicher null null null gering (mittel)? (mittel)? Batteriespeicher null null gering mittel mittel mittel Power to Gas (H2) null null null gering hoch hoch Power to Gas (CH4) null null null gering mittel hoch 1) nur im Fall von Netzengpässen 16

17 Auch bei sehr hohen Anteilen Erneuerbarer Energien können ausreichende Flexibilitäten mobilisiert werden, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Prioritäre Handlungsfelder: Flexibilisierung KWK-Anlagen Flexibilisierung Biomasseanlagen Erschließung kostengünstiger Lastmanagementpotenziale in der Industrie Überschussstrom zu Wärme in Gebieten mit Netzengpässen Einbeziehung von elektrischen Wärmepumpen in das Lastmanagement Wirtschaftliche Anreize sind derzeit nicht gegeben Weiterentwicklung des Marktdesigns erforderlich 17

18 Prioritäre Handlungsfelder für die Politik Stärkere Förderung einer am Strombedarf orientierten Fahrweise von KWK-Anlagen und Biomasse- Anlagen, um unnötige Must run Leistung zu vermeiden Entwicklung eines Konzeptes zur Erhöhung von Investitionsanreizen in Kraftwerke und Stromspeicher insbesondere durch Honorierung der Leistungsbereitstellung (lange Vorlaufzeiten bei Planung und Errichtung) Unterstützung der Erschließung von Lastmanagementpotenzialen in der Industrie, damit diese im Bedarfsfall bei entsprechenden Preissignalen schnell einsetzbar sind Einbeziehung elektrischer Wärmepumpen in den Smart Meter Rollout Überprüfung der Umweltauflagen in den wasserrechtlichen Vorschriften im Hinblick auf die Nutzung der vorhandenen Wasserkraftpotenziale und die tatsächlichen ökologischen Folgen eingeschränkt wechselnder Wasserstände Beseitigung bestehender Hemmnisse, die in besonderem Maße die Umsetzung der Maßnahmen behindern, z. B.: Befreiung von Netzentgelten bei hohem Verbrauch und hohen Vollbenutzungsstunden (NetzentgeltVO 19) Belastung von Stromverbrauchern, die Überschussstrom nutzen oder speichern, mit Netzentgelten und Umlagen Mangelnde Zugangsmöglichkeiten für Erneuerbare Energien und Lastmanagementmaßnahmen zum Regelenergiemarkt (um Must run Leistung zu reduzieren) Intensive Förderung von Forschung und Entwicklung im Bereich der Speichertechnologien 18

19 Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH BET GmbH BET Dynamo Suisse AG Aachen Leipzig Hamm Zug Zofingen Puidoux Alfonsstraße Aachen Karl-Liebknecht-Straße Leipzig Rotdornschleife Hamm Poststrasse Zug Junkerbifangstrasse Zofingen Route du Vergnolet Puidoux Telefon Telefax info@bet-aachen.de Telefon Telefax info@bet-leipzig.de Telefon Telefax info@bet-hamm.de Telefon Telefax info@bet-dynamo.ch Telefon Telefax info@bet-dynamo.ch Telefon Telefax info@bet-dynamo.ch 19