Wie Wohnungen 2030 warm werden

Wie Wohnungen 2030 warm werden Perspektiven für die Dekarbonisierung der Heizenergie Matthias Deutsch EBERSWALDE, 04. DEZEMBER 2017

Agora Energiewende Wer wir sind Think Tank mit etwa 30 Mitarbeitern unabhängig und überparteilich Projektdauer 2012-2021 Gesellschafter und Haupt-Finanziers: Stiftung Mercator & ECF Aufgabe: Die Energiewende in Deutschland und weltweit zur Erfolgsgeschichte machen Methoden: Analysen, Studien, Expertenaustausch, Dialog der Entscheidungsträger, Rat der Agora 2

Wärmewende 2030 Auftragnehmer: Fraunhofer IWES und IBP Übergeordnete Frage: Wie können wir das 2030er-Klimaziel (-55% THG-Emissionen) im Wärmesektor erreichen? Welche Pfade schließen -95% THG-Emissionen bis 2050 nicht aus? Methodischer Ansatz: Szenarienvergleich 2030/2050 Trend: Energiereferenzprognose, Projektionsbericht, Branche Ziel: Klimaschutzszenarien, Szenarien v. Fh-IWES und Fh-ISE Sensitivitätsrechnungen 2030 mit Optimierungsmodell Wichtige Nebenbedingungen: -55% THG; -38% Nicht-ETS 3

Szenarienvergleich 2030/2050 4

Die drei Säulen zur Dekarbonisierung der Gebäudewärme sind: (1) Energieeffizienz, (2) objektnahe erneuerbare Wärme und (3) dekarbonisierte Wärmenetze. Beispiel einer 40 %-Verringerung des Endenergieverbrauchs in TWh/Jahr Endenergie-Einsparung: 40 bis 60% bis 2050 nach Energieeffizienzstrategie Gebäude des BMWi Objektnahe erneuerbare Wärme hat Restriktionen bei Umweltwärme, Biomasse, Solarthermie Dekarbonisierte Wärmenetze haben Restriktionen bei Wärmedichte, Geothermie, Freiflächensolarthermie, Wärmepumpen. Fh-IWES/IBP (2017) 5

1. Säule Energieeffizienz! Szenarienvergleich: Gebäudewärmeverbrauch Endenergie in TWh/Jahr TWh/Jahr 1000 800 600 400 200 0 2008 2011 2012 2030 2050 Trend Klimaziel * Trend Klimaziel * -80% -95% -80% -95% 857 795 788 683 706 547 565 521 632 547 385 487 353 291 Gap-Analyse: große Hemmnisse in Trendszenarien; Zielszenarien weisen Bandbreiten von -40% bis -66% gegenüber 2008 auf Geringer Anteil des Neubaus (Wirkung EnEV -> Primärenergieeinsparung) im Vergleich zu Bestandsgebäuden Die Trendentwicklung bei Gebäudewärmeeffizienz ist unzureichend Fh-IWES/IBP (2017) * Klimaziel -80% umfasst -80% bis -85% 6

2. Säule dekarbonisierte Wärmenetze! Szenarienvergleich: Anteil von Wärmenetzen am Endenergiebedarf der Gebäude Potenzial zum Ausbau der Wärmnetze von heute 10% auf 23% in 2050 Anteil Wärmenetze [%] 30% 20% 10% 2012 2013 2014 2030 2050 Trend Klimaziel * Trend Klimaziel * -80% -95% -80% -95% 23,0% 20,7% 15,0% 15,4% 15,8% 20,5% 9,6% 9,8% 10,1% 11,1% 12,8% 13,0% 14,0% 9,2% EE-Wärme in Netzen: Rolle der KWK, Elektrodenkessel vs. Groß-Wärmepumpe, Groß-Solarthermie, Tiefengeothermie Temperaturabsenkung notwendig 0% Fh-IWES/IBP (2017) * Klimaziel -80% umfasst -80% bis -85% Die Trendentwicklung bei Wärmenetzen ist unzureichend, insbesondere für einen -95%-THG-Pfad bis 2050. 7

3. Säule objektnahe Wärmeversorgung: Die größten Potenziale objektnaher erneuerbarer Wärme liegen bei Wärmepumpen Beispiel einer 40 %-Verringerung des Endenergieverbrauchs und objektnahe Erneuerbaren-Potenziale in TWh/Jahr Solarthermie und Biomasse haben geringere Potenziale als Wärmepumpen Daten stammen aus: Energieeffizienzstrategie Gebäude des BMWi. für Erdwärmepumpen (186 TWh) aus Beuth/ifeu (2017): Ableitung eines Korridors für den Ausbau der erneuerbaren Wärme im Gebäudebereich Hinzu kommt das Potenzial von Luftwärmepumpen. Fh-IWES/IBP (2017) 8

Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie zur Erreichung des Klimaziels im Wärmesektor ist konsistent über alle ausgewerteten Szenarien Anzahl der Wärmepumpen im Szenarienvergleich und Wärmepumpenlücke Wärmepumpen bieten kosteneffizienten Klimaschutz wegen ihrer hohen Effizienz bei der Erzeugung von Wärme. In den Ziel-Szenarien sind im Jahr 2030 3,6 bis 8,1 Millionen Wärmepumpen installiert. Wärmepumpenabsatz pro Jahr steigt in den Trendszenarien um rund 60 Prozent, müsste sich jedoch verfünffachen. Wärmepumpenlücke: ca. 4 Mio. Wärmepumpen fehlen in 2030 Fh-IWES/IBP (2017) Ein Teil der Wärmepumpen in Einzelobjekten kann auch in Form von Nahwärmenetzen zusammengefasst werden. 9

Die Klimaschutzziele sind nur erreichbar bei einer hohen Durchdringung von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden Anzahl der Wärmepumpen im Szenarienvergleich (ab 2030: Altbau vor 2010) Wärmepumpen [Mio.] 16 12 8 4 0 2013 2014 2015 2030 2050 0,5 0,6 0,7 Trend Klimaziel * Trend Klimaziel * 1,8 0,7-80% -95% -80% -95% Fh-IWES/IBP (2017) Datenanhang * Klimaziel -80% umfasst -80% bis -85% 6,2 2,6 6,8 4,8 2,5 12,3 7,3 14,2 11,0 Im Trend werden für 2030 rund 1 bis 2 Mio. Wärmepumpen im Altbau erwartet (d.h. Baujahr vor 2010). Für den -80%-Pfad bis 2050 werden im Jahr 2030 aber rund 3 bis 6 Millionen Wärmepumpen im Altbau benötigt Für den -95%-Pfad bis 2050 werden 2030 rund 5 bis 7 Mio. Wärmepumpen im Altbau benötigt. Die größte Herausforderung für Wärmepumpen besteht in der Notwendigkeit einer hinreichenden Gebäudeeffizienz. 10

Sensitivitätsrechnungen 2030 11

Ein klimagerechter Gebäudewärmemix für 2030 Gebäudewärme-Mix 2015 und 2030 mit zwei verschiedenen Ambitionsniveaus für Wärmepumpen als Anteile am Wärmeverbrauch in %. Der klimagerechte Gebäudewärmemix im Jahr 2030 besteht aus rund 40 % Gas, 25 % Wärmepumpen und 20 % Wärmenetzen aber kaum noch Öl. Um ein 95 %-Ziel im Jahr 2050 nicht auszuschließen, bedarf es weiterer Anstrengungen. Fh-IWES/IBP (2017)

Zum Erreichen der Klimaziele muss sich der Absatz von Wärmeerzeugern erheblich wandeln vor allem hin zu mehr Wärmepumpen. Absatz von Wärmeerzeugern (Struktur in Prozent und Summe in Tausend pro Jahr) am Beispiel des Zielszenarios ISWV-83 100% 80% 60% 40% 20% 0% 740 492 500 947 871 953 966 771 712 624 733 523 448 800 681 580 7% 13% 10% 25% 36% 32% 39% 42% 23% 44% 41% 35% 26% 49% 47% 2% 50% 44% 18% 10% 64% 13% 13% 3% 10% 73% 29% 15% 12% 9% 0% 10% 8% 1% 8% 23% 24% 12% 26% 15% 14% 14% 9% 12% 18% 38% 52% 0% 14% 24% 26% 21% 13% 18% 23% 24% 28% 29% 37% 7% 26% 18% 17% 5% 11% 4% 8% 10% 10% 14% 9% 8% 9% 8% 9% 7% 11% 11% 11% 11% 2015 2020 2025 2030 Wärmepumpen Öl-Kessel Gas-Kessel Sonstige (Biomasse-Kessel, BHKW, Strom direkt) Fernwärme Hinweis: Annahme Kesselaustausch nach 25 Jahren. Die Absatzzahlen kommen aus dem Szenario ISWV-83 von Fraunhofer-IWES mit 4,9 Mio. Wärmepumpen in 2030 und einer Treibhausgasminderung bis 2050 von minus 83 % ggü. 1990.

Die Energieträger zusammen denken: Öl-/Gas-Hybrid-Luft-Wärmepumpen bieten die Möglichkeit, Klimaschutz, Flexibilität und Effizienz zusammenzubringen Zusammensetzung der Wärmeerzeugung (Haushalte und Gewerbe) in TWh/Jahr Fh-IWES/IBP (2017) 350 Wärmeverbrauch in 300 TWh/ Jahr 250 200 150 100 50 0 KWK Wärmepumpen Basis KK Sonstige Systeme Müll Biomasse (mit/ohne KWK) Ölkessel - Bestand Gaskessel - Bestand Gaskessel - Zubau Erdwärmepumpe monovalente Luft- Wärmepumpe bivalente Luft-Wärmepumpe Fernwärme-KWK mit Solarthermie KWK-Bestand 2030 durch hohe Anteile fluktuierender EE hoher Flexibilitätsbedarf auch bei Abbau aller sonstigen Hemmnisse Hybride bzw. bivalente Systeme ermöglichen Flexibilität und ein effizientes Gesamtsystem Industrie-KWK + Elektrodenkessel Fernwärme-KWK + Elektrodenkessel/Groß-WP hybride/bivalente Wärmepumpen Unflexible Wärmepumpen können nicht mehr gut ins System integriert werden Wärmespeicher Variable Stromtarife Flexibilität ist eine entscheidende Voraussetzung 14

Für 2030 brauchen wir ein Erneuerbaren-Ziel von mindestens 60% am Bruttostromverbrauch. Erneuerbare-Energien-Anteil am Bruttostromverbrauch [%] 80% 60% 40% Für 2030 brauchen wir ein Erneuerbaren-Ziel von mindestens 60% am Bruttostromverbrauch. 45% 40% 60% 55% kostenoptimaler Erneuerbare-Energien- Anteil zur Klimazielerreichung 2030 * Ziele der Bundesregierung gemäß EEG 2017 gemäß EEG 2017 20% 32% EE-Anteil am Bruttostrom-verbrauch 0% 2010 2020 2030 2040 * -55 % Treibhausgasemissionen insgesamt gegenüber 1990 und -38 % im Nicht-ETS-Bereich gegenüber 2005 Fh-IWES/IBP (2017)

Die langfristige Rolle der Gasinfrastruktur ist noch offen. Fernleitungsnetze sind wichtig für Versorgungssicherheit im Stromsystem. Gasverteilnetz vs. Wärmenetz: Bedeutung kommunaler Wärmekonzepte Langfristige Dekarbonisierung der Gasnetze ist abhängig von synthetischem Gas (PtG) Optionen: Viel PtG in Deutschland aus Erneuerbarem-Strom herstellen (FNB Gas (2017): 254 GW Elektrolyseure in Deutschland) Hohe Importe synthetischer Brennstoffe aus Ausland (dena (2017): 729 TWh in 2050, davon 151 TWh für Gebäudesektor) Welche Herausforderung ist größer? Hinreichend hohe Sanierungsraten Beschaffung hinreichend großer, klimaneutral erzeugter PtG-Mengen und sehr schneller Kohleausstieg (dena 2017)

Worüber wir beim Thema PtG (und PtL) vor allem weiter sprechen sollten Anwendungen, die nach heutigem Stand des Wissens kaum direkt erneuerbar versorgt oder direkt elektrifiziert werden können: Grundstoffchemie, Hochtemperatur-Prozesswärme, Flug- und Seeschiffsverkehr, Langzeitspeicher im Stromsystem Kosten: sehr günstiger Erneuerbarer-Energien-Strom und hohe Anlagen-Auslastung vs. Risikoaufschläge bei Kapitalkosten in möglichen Exportländern und CO 2 -Kosten Investitionen in ~100 GW Elektrolyseure sind nötig zum Durchlaufen der Lernkurve bei den Investitionskosten Instrumente, die Investitionen dieser Größenordnung effektiv anregen Nachhaltigkeitsanforderungen: klimaneutrales CO 2 aus der Luft, Zusätzlichkeit der EE- Stromerzeugung, Trinkwasserversorgung am Ort der Elektrolyse, Flächennutzungskonkurrenzen, nachhaltige Entwicklung Synthetischer Wasserstoff: als Alternative zu kohlenstoffhaltigen Brennstoffen 17

Ergebnisse auf einen Blick 1 2 3 Der Wärmesektor braucht den Ölausstieg: Der klimagerechte und kosteneffiziente Gebäudewärmemix im Jahr 2030 enthält rund 40 Prozent Gas, 25 Prozent Wärmepumpen und 20 Prozent Wärmenetze aber fast kein Öl. Effizienz entscheidet: Der klimagerechte Gebäudewärmeverbrauch im Jahr 2030 ist um ein Viertel kleiner als 2015. Die Trendentwicklung bei der energetischen Sanierung ist unzureichend. Eine hinreichende Gebäudeeffizienz ist insbesondere notwendig für Wärmepumpen. Die Wärmepumpenlücke: In Trendszenarien werden bis 2030 rund zwei Millionen Wärmepumpen installiert gebraucht werden aber bis dahin fünf bis sechs Millionen, darunter auch bivalente Systeme. 4 Erneuerbarer Strom für die Wärmepumpen: Für 2030 brauchen wir ein Erneuerbare-Energien-Ziel von mindestens 60 Prozent am Bruttostromverbrauch. 18

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Relevante Agora-Veröffentlichungen Energiewende insgesamt Wärme Verkehr Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe

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Dezentral-zentrales Wärmeversorgungskonzept für 130 neue Gebäude ohne fossile Energie: Kassel Zum Feldlager Wärmeversorgung Zum Feldlager Schmidt (2017): Wärmewende 2030, Präsentation vom 15.02.2017 Siedlung: KfW-70-Standard, Gesamt-Heizwärmebedarf 1.750 MWh/a Partner: Fh-IBP, Uni Kassel, SW Kassel, AGFW, documenta Stadt Ziel der Studie: Variantenvergleich mit dem Stand der Technik (Gas-BW + Solarthermie) Trinkwarmwasser: ~45 C EFH / ~60 C MFH dezentral mit Solarthermie und elektrischer Nachheizung im Winter Raumwärme: Nahwärmenetz ~40 C mit zentraler Wärmepumpe und solarthermischer Regeneration des Erdwärmefeldes im Sommer Heute schon ca. 5% günstiger als Gas- Brennwertkessel Übertragbar auf (fast alle) Neubausiedlungen, auch geeignet für die Umsetzung im Bestand. https://www.agora-energiewende.de/fileadmin/projekte/2016/sektoruebergreifende_ew/01b_schmidt_foliensatz_15022017.pdf http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/themenhefte/th2015/th2015_05_04.pdf

Im Rahmen der neuen Agora-Studie zu PtG/PtL werden exemplarisch Erneuerbare- Energien- Erzeugungsoptionen in Deutschland, Island, Nordafrika und dem Nahen Osten betrachtet. Hohe Investitionskosten erfordern eine hohe Anlagen- Auslastung Überschussstrom : deutschlandweit < 2.000 h/a bis 2030er Schleswig-Holstein: < 2.000 h/a bis 2025 Offshore Nord/Ostsee: ~4.000 h/a PV-/Wind-Hybrid: ~4.000-5.000 h/a Quelle: Frontier Economics (2017) 23

Methodik: Szenarienvergleich und Sensitivitätsrechnungen. Fh-IWES/IBP (2017) 24

Robuste Pfade um ein ambitioniertes 2050er-Ziel nicht auszuschließen Entwicklung des Wärmepumpenbestands in Millionen 20 Installierte Wärmepumpen 15 [Mio.] 10 5 Fh-IWES/IBP (2017) 0 2010 2020 2030 2040 2050 Nur ein hohes Wärmepumpen- Niveau 2030 hält die Option offen, auch 2050 ein hohes Niveau erreichen zu können. Historisch Klimaziel -95% - ISWV-95 Klimaziel -80% - ISWV-83 Beispiel aus der Studie ISWV von Fh-IWES: hohe Restriktionen durch Altersstruktur da viele Heizkessel älter als 25/30-Jahre sind Die gestrichelten Entwicklungspfade unterstellen, dass Heizungssysteme nicht vor Ende ihrer eigentlichen technischen Lebensdauer ersetzt werden. Diese beträgt bei fossilen Kesseln 25 Jahre. Das entsprechende hohe Niveau in den Klimaschutzszenarien (KSz 95, Öko-Institut et al. 2015) liegt bei rund 6 Mio. Wärmepumpen (2030), um bis 2050 dann rund 14 Mio. zu erreichen. Daher werden 2030 mindestens 6 Mio. Wärmepumpen benötigt, um das ambitionierte 2050er-Ziel nicht auszuschließen. 25

Fh-IWES/IBP (2017) Der Szenarienvergleich beinhaltet Stromverbrauch durch Wärmeanwendungen in Haushalten, Wärmenetzen und in der Industrie. Stromverbrauch durch Wärmeanwendungen in TWh/Jahr Fh-IWES/IBP (2017) Die hier betrachteten Zielszenarien* beinhalten: teilweise dezentrale Heizstäbe in Kesseln oder Mini-BHKW, teilweise netzgebundene Großwärmepumpen, langfristig einheitlich Power-to-Heat (Elektrodenkessel) netzgebunden, teilweise Power-to-Heat in der Industrie, Industrie-Großwärmepumpen als Schlüsseltechnologie, im Fall der 95-%-Szenarien neue elektrische Verfahren zum Ersatz fossiler Prozesswärme, die aber sehr uneinheitlich bewertet werden. Für 2030 unterscheidet sich die Bedeutung der Stromanwendungen stark darin, wie frühzeitig potenzielle Windkraft- und Photovoltaik- Abregelung relevant wird.. * Zum Vergleich: Im Basisszenario der Langfristszenarien beträgt der dezentrale Wärmepumpenstrom 2030 etwa 19 TWh und 2050 rund 28 TWh. 26

Robuste Pfade um ein 2030er-Ziel sicher zu erreichen, bei Defiziten in einzelnen Maßnahmen Anzahl installierter Wärmepumpen im Jahr 2030 in Millionen Anzahl Wärmepumpen [Mio.] 6 5 4 3 2 1 0 3,9 Basis KK 3,6 Basis KK+Gas Bestand 4,3 5,0 2,9 Dämm- Emob- Flex- Neubau Die Dekarbonisierung mithilfe von Wärmepumpen kann helfen, Defizite bei Gebäudedämmung und Elektromobilität bis 2030 zu kompensieren Mindestens 5 Mio. Wärmepumpen sind in 2030 notwendig (Untergrenze) Hohe Bedeutung der Bestandsgebäude Fh-IWES/IBP (2017) 27

Kommt es durch Wärmepumpen zu einer Erhöhung der Strom-Spitzenlast? Installierte Kraftwerksleistung (GW) und annuitätische Kosten ( /kw el /a) Beispiel 2030 (Rückkopplung Gesamtsystem, außentemperaturabhängige COP, ein Wetterjahr) Szenario Dämm(-): ineffizientere WP, die mehr Wärme bereitstellen Szenario E-Mob(-): mehr Wärmepumpen Szenario Flex(-): weniger, aber unflexible WP Im Modell werden Erd- und Hybrid- Wärmepumpen und wenig monovalente Luft- WP ausgeprägt -> Forschungsbedarf Kosten für zusätzliche Gasturbinen sind gering; durch Rückgang von Nachtspeicher- Heizungen kaum Anstieg der Höchstlast Fh-IWES/IBP (2017) 28

Effizienz von Wärmepumpen in Bestand und Neubau (EFH) Wärmebedarf [kwh/m²*a] 250 Heizwärmebedarf Warmwasserbedarf JAZ COP (-5 C) RW COP (-5 C) TWW JAZ / COP 6,0 200 150 100 50 2,12 2,2 1,7 1,7 3,4 3,6 2,3 2,3 4,5 3,81 5,0 4,21 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0 Unsaniert Fenster+Dach saniert Fenster+Dach saniert Saniert nach EnEV 2009 Heizkörper Niedertemperatur-Radiator Niedertemp. -Radiator Luft-Wärmepumpe Bestandsgebäude vor 1978 EnEV 2009 EnEV 2009 Fußboden -heizung Erd-Wärmepumpe Neubau 0,0 Fh-IWES/IBP (2017) 29

Gebäudeklassen in der Modellierung Fh-IWES/IBP (2017) 30

Abgaben und Umlagen - Steuern, Abgaben, Umlagen und Netzentgelte grundlegend reformieren Wo wir heute stehen Steuern, Abgaben, Umlagen und Entgelte sind zwischen den verschiedenen Energieträgern sehr ungleich verteilt; Preisverzerrungen ermöglichen keinen effizienten Klimaschutz Wo wir 2030 stehen wollen CO 2 hat in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr einen wirksamen Preis, sodass in allen Sektoren die jeweils kostengünstigste Klimaschutzoption zum Zuge kommt Was wir dafür tun müssen Einführung eines CO 2 -Mindestpreises im EU-Emissionshandel; Vereinheitlichung klimarelevanter Abgaben auf alle Energieverbräuche (Strom, Verkehr, Wärme) 31