Phasen der Transformation des Energiesystems

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1 Phasen der Transformation des Energiesystems Ein ganzheitlicher Blick auf alle Wandlungsketten und Verbrauchssektoren Prof. Dr. Hans-Martin Henning, Andreas Palzer Fraunhofer ISE Maike Schmidt, Henning Jachmann ZSW Dr. Philipp Strauß, Dr. Carsten Pape, Sebastian Stock Fraunhofer IWES Prof. Dr. Manfred Fischedick Wuppertal-Institut Frieder Borggrefe DLR Dr. Uwe Klann IZES

2 Agenda Betrachtung eines Referenzszenarios Phasen der Transformation aus technischer Perspektive Residuallast und Flexibilitäten Power-to-Heat Zusammenfassung

4 (Soll-) Entwicklung THG-Emissionen in D Davon knapp1000 Mio t Energie-bedingte CO 2 - Emissionen Quelle: eigene Darstellung nach Daten des UBA vom

5 Szenarienübersicht (Wuppertal-Institut)

6 Szenarienübersicht (Wuppertal-Institut)

7 Referenzszenario Fraunhofer ISE 2013 Basiert auf Sektor- und Energieträger-übergreifender Optimierung eines zukünftigen Energiesystems (2050) Stundengenaue Modellierung aller Energieflüsse einschließlich aller Wandler und Speicher Strukturoptimierung REMod-D Regenerative Energienmodell Deutschland

8 Fraunhofer ISE FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Ergebnisse Stromerzeugung PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 120 GW 32 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 60 GWh Biomasse Sabatier 0 Methan-Sp. 0.0 GWgas 0 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Photovoltaik GW el 0 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 0 3 Onshore Wind KWK-GuD GWel 20 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 40 Gebäude 59 Solarthermie GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) GW 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 Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 103 GWh % Wert % KWK mittlerer 14 und großer 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 60 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 4 GWth 26 gekoppelt an Wärmenetze) Brennstoffe 420 Einzelgebäude mit Mini-BHKW GW el 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 0.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 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

9 Fraunhofer ISE FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Ergebnisse Wärmeversorgung Dezentral PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 120 GW 32 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 60 GWh 103 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 33 GWel Biomasse H2-Speicher 82 Treibstoff Verkehr Solarthermie Sabatier 0 Methan-Sp GWgas 0 dezentral 42 GW th erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien 0 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 0 3 Zentral KWK-GuD GWel 20 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 40 Gebäude 59 Solarthermie 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 Reduktion Raumwärmebedarf 5 Schienenverkehr/Strom) um 60 % 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP 34 auf 37 Gebäude 40 % des 82 heutigen Traktion 41 Wertes durch 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe baulichen Traktion Wärmeschutz GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Traktion Brennstoffe el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 103 GWh % Wert % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Wärmepumpen Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in Netzgebundene Wärme 4 9 GWth 60 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude 22 GW Einzelgebäude th mit (el., Sole-Wärmepumpe Sole) 420 Solarthermie GW el installierte 4 GWth 26 Brennstoffe 420 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 0.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth GWth 86 2 GWth Solarthermie zentral 40 GW th Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

10 Fraunhofer ISE FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Ergebnisse Speicher PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 120 GW 32 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 60 GWh 103 Brennstoffe 394 Erdgas Elektrolyse 0 33 GWel Biomasse 82 6 Stationäre H2-Speicher Batterien Treibstoff Verkehr Insgesamt 24 GWh (z.b. 8 Sabatier 0 Methan-Sp GWgas 0 Mio Einheiten á 3 kwh) 23 erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Gasturbine 1 GW Pumpspeicher- KWK-GuD GWel 20 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 40 Gebäude 59 Solarthermie 13 kraftwerke 20 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe GuD-KW 3 GW Wärmespeicher 14 in Gebäuden Insgesamt 320 GWh (z.b. 7 Mio Einheiten á 800 Liter) 0 3 Einzelgebäude mit Gaskessel Einheiten mit Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 einer 57 Gesamt- 4 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) GWh 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude Elektrolyseure mit einer 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Gesamtleistung Traktion 41 von GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter 4 GW 220 el Traktion (für Verkehr) 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 103 GWh % Wert % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 60 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 420 Große Wärmespeicher Einzelgebäude mit Mini-BHKW in 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 Wärmenetzen 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 0.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth GWth 86 2 GWth 6 kapazität von 60 Insgesamt 350 GWh (z.b. 150 Einheiten á m³) Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

11 Gesamtergebnisse Referenzszenario Absenkung Energie-bedingter CO 2 -Emissionen um 81 % bezogen auf Kyoto-Referenzwert (1990) Erneuerbare Energien decken rund 80 % der Stromerzeugung (bei leicht steigendem Strombedarf) Absenkung Primärenergie um knapp 50 % KWK (insbesondere Quartiers-KWK und große Heizkraftwerke) decken vollständig residuale Stromerzeugung Wärmepumpen (elektrisch, thermisch/brennstoffe) sind dominante Heiztechnik in Einzelgebäuden Jährliche Vollkosten des Systems in gleicher Größenordnung wie heute

13 Entwicklung installierte Leistung PV in GW

14 Entwicklung (Re-) Installation PV in GW/a

15 *FEE = fluktuierende erneuerbare Energien FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Entwicklung installierte Leistung FEE* Entwicklung bis heute

16 Die 4 Phasen der Transformation Nach 2050

17 Die 4 Phasen der Transformation Phase 1 Entwicklung EE CO 2 -Reduktion 0-20% Entwicklung Basistechnologien Wesentliche Kostenreduktionen Markteinführung und Ausbau ohne signifikante Implikationen für Gesamtsystem Nach 2050

18 Die 4 Phasen der Transformation Phase 1 Entwicklung EE CO 2 -Reduktion 0-20% Entwicklung Basistechnologien Wesentliche Kostenreduktionen Markteinführung und Ausbau ohne signifikante Implikationen für Gesamtsystem Phase 2 Systemintegration CO 2 -Reduktion 20-50% Aktivierung von Flexibilitäten bei residualer Stromerzeugung und -nutzung Kurzzeitspeicher Demand Side Management Nach 2050

19 Die 4 Phasen der Transformation Phase 1 Entwicklung EE CO 2 -Reduktion 0-20% Entwicklung Basistechnologien Wesentliche Kostenreduktionen Markteinführung und Ausbau ohne signifikante Implikationen für Gesamtsystem Phase 2 Systemintegration CO 2 -Reduktion 20-50% Aktivierung von Flexibilitäten bei residualer Stromerzeugung und -nutzung Kurzzeitspeicher Demand Side Management Phase 3 Synth. Brennstoffe CO 2 -Reduktion 50-75% Signifikante negative Residullasten Nutzung von EE- Strom zur Erzeugung synthetischer Brennstoffe Verwendung insbesondere für Mobilität Nach 2050

20 Die 4 Phasen der Transformation Phase 1 Entwicklung EE Phase 2 Systemintegration Phase 3 Synth. Brennstoffe Phase 4 EE-Import CO 2 -Reduktion 0-20% CO 2 -Reduktion 20-50% CO 2 -Reduktion 50-75% CO 2 -Reduktion % Entwicklung Basistechnologien Wesentliche Kostenreduktionen Markteinführung und Ausbau ohne signifikante Implikationen für Gesamtsystem Aktivierung von Flexibilitäten bei residualer Stromerzeugung und -nutzung Kurzzeitspeicher Demand Side Management Signifikante negative Residullasten Nutzung von EE- Strom zur Erzeugung synthetischer Brennstoffe Verwendung insbesondere für Mobilität Vollständige Verdrängung fossiler Ressourcen in allen Nutzungsbereichen Import von erneuerbaren Energieträgern, z.b. aus sonnenreichen Regionen Nach 2050

21 Die 4 Phasen der Transformation Phase 1 Entwicklung EE Phase 2 Systemintegration Phase 3 Synth. Brennstoffe Phase 4 EE-Import CO 2 -Reduktion 0-20% CO 2 -Reduktion 20-50% CO 2 -Reduktion 50-75% CO 2 -Reduktion % Entwicklung Basistechnologien Wesentliche Kostenreduktionen Markteinführung und Ausbau ohne signifikante Implikationen für Gesamtsystem Aktivierung von Flexibilitäten bei residualer Stromerzeugung und -nutzung Kurzzeitspeicher Demand Side Management Signifikante negative Residullasten Nutzung von EE- Strom zur Erzeugung synthetischer Brennstoffe Verwendung insbesondere für Mobilität Vollständige Verdrängung fossiler Ressourcen in allen Nutzungsbereichen Import von erneuerbaren Energieträgern, z.b. aus sonnenreichen Regionen Fortwährend kontinuierliche Erhöhung der Effizienz auf der Nutzungsseite baulicher Wärmeschutz Gebäude Reduktion Stromverbrauch in klassischen Verbrauchsbereichen (z.b. Beleuchtung, Pumpen und Antriebe, )

22 Anmerkung zum Thema Effizienz Wesentliche Effekte im Bereich der Wandlungseffizienz sind Transformations-immanent Ersatz thermischer Kraftwerke durch Kombination aus FEE und flexiblen KWK Ersatz von Verbrennungsmotoren durch strombasierte Systeme (E-Motor mit Batterie oder Brennstoffzelle) in Verbindung mit hohen Anteilen CO 2 -armen Stroms Ersatz von einfacher Verbrennung zur Wärmebereitstellung durch elektrische Wärmepumpen in Verbindung mit hohen Anteilen CO 2 -armen Stroms Nicht Transformations-immanent sind Steigerungen der Nutzungseffizienz in wesentlichen Bereichen Baulicher Wärmeschutz Gebäudebestand Reduktion Stromverbrauch in klassischen Anwendungen

24 Treiber der Phasenübergänge aus technischer Sicht Von Phase 1 Entwicklung EE (abgeschlossen) nach Phase 2 Systemintegration Flexible Integration relevanter Mengen Stroms fluktuierender erneuerbarer Energien (Zeitskalen h, Tag/Nacht, Tage) Effiziente Verwendung fossiler (und biogener) Brennstoffe für residuale Stromerzeugung

25 Residuallastkurve heute

26 Residuallastkurve 2035

27 Treiber der Phasenübergänge aus technischer Sicht Von Phase 1 Entwicklung EE nach Phase 2 Systemintegration Effiziente Verwendung fossiler (und biogener) Brennstoffe für residuale Stromerzeugung Flexible Integration relevanter Mengen Stroms fluktuierender erneuerbarer Energien (Zeitskalen h, Tag/Nacht, Tage) Von Phase 2 Systemintegration nach Phase 3 Synthetische Brennstoffe Erfordernis der Nutzung großer Mengen negativer residualer Lasten Bereitstellung von Ersatzbrennstoffen im langreichweitigen Individual- und Lastverkehr

28 Residuallastkurve 2050 (Referenzszenario)

29 Phasen 2+3: Flexibilität und synth. Brennstoffe Flexibilisierung konv. Kraftwerke Netzausbau (Übertragungs-, Verteilnetz) Power-to-Heat (Wärmenetze) Ausbau KWK + Wärmespeicher El. Kurzzeitspeicher (Pumpsp.-KW, Batt., E-Fahrz./Batt.) Demand Side Management (Haushalte, Industrie) Breite Nutzung von el. Wärmepumpen Wasserstoffbeimischung Erdgasnetz Synth. Brennstoffe für Verkehr Synth. Brennst. Strom/Wärme heute 2050

30 Residuallast, GW FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Ausgleich/Nutzung Residuallast 2050 Stunde des Jahres

35 Beispiel Strom-Wärme: Situation heute Bestand Nachtspeicherheizungen HH+GHD 25 el / 42,5 GW el. Trinkwarmwasser-Speicher 15 el / 6,4 GW Frage: Rückbau statt Dynamisierung von Steuerung und Tarifstruktur? el. Wärmepumpen 4 el unterbrechbare Verbraucher Absatzmarkt zurück gegangen, fast nur im Neubau Erste Bestrebungen zur Flexibilisierung SG-Ready-Label Wärmepumpen oder Vattenfall-Wärmekraftwerk Aktuelle Entwicklung: Power-to-Heat (Fernwärme, Industrie- Dampfnetze, Wärmepumpen) Trend: Hybride bivalente Systeme (z.b. Erdgas + Strom) Damit ist gewährleistet, dass die Anlagen die Wärmenachfrage immer flexibel und unabhängig von der Situation am Strommarkt decken können. Es handelt sich bei PtH um zusätzliche (Überschuss-) Stromverbraucher und nicht um das Lastmanagement bestehender oder neuer Verbraucher Detaillierte Analyse Agora-Studie

36 Energiewirtschaftlich sinnvolle Einsatzfelder Handlungsbedarf bei Netzengpässen und negativen Preisen

37 Beispiel: Abgeregelte EE-Erzeugung durch Einspeisemanagement (EinsMan) EE-Abregelung 2012 Schleswig- Holstein 346 GWh Rest D 128 GWh Quelle: Vom Einspeisemanagement betroffene Gebiete in Schleswig-Holstein, Ecofys 2013

38 Konkrete Vorschläge für Power-to-Heat aus Agora-Studie Power-to-Heat zur Integration (Juni 2014) 1. Power-to-Heat ist eine kostengünstige Technologie, die für die Energiewende viele Vorteile bietet Nutzung von sonst abgeregeltem Strom für Wärmesektor Bereitstellung von Regelenergie in Zeiten negativen Strompreise 2. Power-to-Heat kann jetzt schon am Regelleistungsmarkt fossile Must-run-Kraftwerke reduzieren und dadurch Kohlenstoffdioxid- Emissionen reduzieren. 3. Windstrom, der derzeit aufgrund von Netzengpässen abgeregelt wird, sollte in Zukunft an Power-to-Heat-Anlagen verkauft werden können (erfordert Regelanpassung im EEG) 4. Erneuerbarer Strom, der in Zeiten von negativen Börsenpreisen abgeregelt wird, sollte künftig für Power-to-Heat genutzt werden können

40 Zusammenfassung Aus technischer Sicht sind 4 wesentliche Phasen sichtbar, die die Transformation des Energiesystems strukturieren Phasenübergänge ergeben sich aus strukturellen Erfordernissen im Gesamtsystem bei kontinuierlicher Absenkung von CO 2 -Emissionen Dabei ist in wachsendem Maße eine Sektor- und Energieträgerübergreifende Betrachtung und Umsetzung notwendig Die anstehende Phase der Systemintegration ist durch die schrittweise Nutzung von Flexibilitäten in allen Nutzungssektoren gekennzeichnet Power-to-Heat auf Basis ansonsten abgeregelten EE-Stroms ist heute technisch verfügbar und spart 1:1 fossile Brennstoffe zur Wärmebereitstellung ein Phasenwechsel benötigen eine begleitende Anpassung der regulatorischen Rahmenbedingungen Erhöhung der Nutzungseffizienz und Weiterentwicklung der Schlüsseltechnologien (Kostensenkung) sind fortwährende Aufgaben, die parallel zur System-Transformation verlaufen