Perspektiven für Industriewärmepumpen im Kontext der Energiewende M.Sc. Stefan Wolf Rationelle Energieanwendung (IER) European Heat Pump Summit 215 Workshop: Gewerbliche und industrielle Wärmepumpen-Anwendung 21. Oktober 215, Nürnberg
Statusbericht zur Energiewende Primärenergieverbrauch gegenüber 28 THG Emissionen gegenüber 199 Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch 12% 1% 8% 6% 4% 2% % 199 1995 2 25 21 215 22 225 23 235 24 245 25 Jahr /BMWi 215/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Zahlen und Fakten: Energiedaten. Nationale und Internationale Entwicklung. Berlin, 215 /BMWi 21/: Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) (Hrsg.); Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.). Berlin, 21 3
Rolle der Wärmepumpe in der Energiewende Beitrag zu den Zielen der Energiewende (bis 25): Wärmepumpe: / Reduktion des Primärenergieverbrauchs (-5 %): / Reduktion des Treibhausgasausstoßes (-8 bis -95 %): / Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (6 %): / Steigerung der Energieproduktivität (+2,1 % p.a.) / Kosteneffiziente Energieversorgung: / Senkung des Stromverbrauchs (-25 %): / Stabilisierung des Stromnetzes: / Reduktion der Importabhängigkeit: 4
Rolle der Wärmepumpe in der Energiewende Beitrag zu den Zielen der Energiewende (bis 25): Wärmepumpe: / Reduktion des Primärenergieverbrauchs (-5 %): / Reduktion des Treibhausgasausstoßes (-8 bis -95 %): / Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (6 %): / Steigerung der Energieproduktivität (+2,1 % p.a.) / Kosteneffiziente Energieversorgung: / Senkung des Stromverbrauchs (-25 %): / Stabilisierung des Stromnetzes: / Reduktion der Importabhängigkeit: Positive Wechselwirkungen mit Zielen der Energiewende: / Steigerung des Anteils Erneuerbarer Energien an der Bruttostromerzeugung (8 %): 5
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 1.529 1.472 97 863 737 364 21 161 16 69 PW > 15 C PW 1 bis 15 C PW 5 bis 1 C PW 2 bis 5 C PW 15 bis 2 C PW 1 bis 15 C PW 8 bis 1 C PW 6 bis 8 C PW < 6 C Warmwasser Raumwärme PW = Prozesswärme Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213 ; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215 6
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 2. 1.5 1. 5 141 232 62 331 391 284 167 122 79 522 PW 8 bis 1 C PW 6 bis 8 C PW < 6 C Warmwasser Raumwärme PW = Prozesswärme Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 7
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. Wärmebedarf unterhalb von 1 C: 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 1.5 1. 5 78 199 24 113 5 67 4 313 PW 8 bis 1 C PW 6 bis 8 C PW < 6 C Warmwasser Raumwärme PW = Prozesswärme Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 8
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: 35 99 18 45 32 33 2 141 PW 8 bis 1 C PW 6 bis 8 C PW < 6 C Warmwasser Raumwärme PW = Prozesswärme 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % Davon Raumwärme und Warmwasser: 17 PJ (29 TWh) (Transaktionskosten wurden in der vorliegenden Analyse vernachlässigt) Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 9
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: 35 99 18 45 32 33 2 141 PW 8 bis 1 C PW 6 bis 8 C PW < 6 C Warmwasser Raumwärme PW = Prozesswärme 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % Zusätzlicher Stromverbrauch: Resultierende Endenergieeinsparung: 94 PJ (26 TWh) 295 PJ (82 TWh) Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 1
Quelle: IER - Steurer Stunden des Tages *) Bei 4. Vollaststunden www.ier.uni-stuttgart.de Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: PW 8 bis 1 C Zusätzlicher Stromverbrauch: PW 6 bis 8 C Resultierende Endenergieeinsparung: PW < 6 C Warmwasser Raumwärme 35 99 18 141 Stromnetzes (steigende 45 Relevanz 32 33 spätestens 2 ab PW 22). = Prozesswärme Residuallast 211 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % Bis zu 6,5 GW el * einsetzbar als regelbare Last zur Stabilisierung des 94 PJ (26 TWh) 295 PJ (82 TWh) 6 12 18 23 Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf Jan u.a /AGEB Feb 213/ Arbeitsgemeinschaft Mrz Apr Energiebilanzen Mai Jun e.v. (AGEB): Jul Erstellung Aug von Sep Anwendungsbilanzen Okt Nov für das Dez Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Tage Heizgradtage des Jahresnach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Stunden mit hoher Residuallast; Übergangsbereich; sehr niedrige bis deutlich negative Residuallast Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 11
Quelle: IER - Steurer Stunden des Tages *) Bei 4. Vollaststunden www.ier.uni-stuttgart.de Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: PW 8 bis 1 C Zusätzlicher Stromverbrauch: PW 6 bis 8 C Resultierende Endenergieeinsparung: PW < 6 C Warmwasser Raumwärme 35 99 18 141 Stromnetzes (steigende 45 Relevanz 32 33 spätestens 2 ab PW 22). = Prozesswärme Residuallast 25 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % Bis zu 6,5 GW el * einsetzbar als regelbare Last zur Stabilisierung des 6 94 PJ (26 TWh) 295 PJ (82 TWh) 12 18 23 Eigene Berechnungen und Annahmen basierend Jan auf u.a /AGEB Feb 213/ Mrz Arbeitsgemeinschaft Apr Mai Energiebilanzen Jun e.v. (AGEB): Jul Erstellung Aug von Sep Anwendungsbilanzen Okt Nov für das Jahr Dez212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Tage Heizgradtage des Jahresnach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Stunden mit hoher Residuallast; Übergangsbereich; sehr niedrige bis deutlich negative Residuallast Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 12
Quelle: IER - Steurer Stunden des Tages Stunden des Tages *) Bei 4. Vollaststunden www.ier.uni-stuttgart.de Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: PW 8 bis 1 C Zusätzlicher Stromverbrauch: PW 6 bis 8 C Resultierende Endenergieeinsparung: PW < 6 C Warmwasser Raumwärme 35 99 18 141 Stromnetzes (steigende 45 Relevanz 32 33 spätestens 2 ab PW 22). = Prozesswärme Residuallast 25 211 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % Bis zu 6,5 GW el * einsetzbar als regelbare Last zur Stabilisierung des 6 94 PJ (26 TWh) 295 PJ (82 TWh) 12 18 23 Eigene Berechnungen und Annahmen basierend Jan auf Jan u.a /AGEB Feb Feb 213/ Arbeitsgemeinschaft Mrz Apr Energiebilanzen Mai Jun e.v. (AGEB): Jul Erstellung Aug von Sep Anwendungsbilanzen Okt Nov für das Dez Jahr Dez212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Tage Heizgradtage des Jahresnach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Stunden mit hoher Residuallast; Übergangsbereich; sehr niedrige bis deutlich negative Residuallast Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 13
Wärmebedarf [PJ] Potenzial für die Anwendung von Wärmepumpen in den EU-28 (212) 2.5 2. 1.5 1. 5 Wärmebedarf unterhalb von 1 C: 2.33 PJ (647 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 33 % 3 % bis 6 % davon technisch durch WP versorgbar: 4 % bis 65 % davon wirtschaftlich durch WP versorgbar: 831 PJ (231 TWh) 389 PJ (18 TWh) Anteil am gesamten industriellen Wärmebedarf: 5,5 % PW 8 bis 1 C Zusätzlicher Stromverbrauch: PW 6 bis 8 C 94 PJ (26 TWh) Resultierende Endenergieeinsparung: PW < 6 C Warmwasser 295 PJ (82 TWh) Resultierende Treibhausgaseinsparung (technisch): Raumwärme 13,9 Mt CO 35 99 18 141 2 -Äq 45 32 33 2 THG-Einsparung (technisch) bezogen auf Industrie: PW = Prozesswärme 8 % Resultierende Treibhausgaseinsparung (wirtschaftlich): 5,7 Mt CO 2 -Äq THG-Einsparung (wirtsch.) bezogen auf Industrie: 3 % Eigene Berechnungen und Annahmen basierend auf u.a /AGEB 213/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB): Erstellung von Anwendungsbilanzen für das Jahr 212 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen für die Jahre 29-211. 213; /eurostat 215a/eurostat: Heizgradtage nach NUTS-2-Regionen: jährliche Daten (nrg_esdgr_a). Brüssel, 215; /eurostat 215b/ eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215; /Nellissen, Wolf 215/ Nellissen, P.; Wolf, S.: Wärmepumpen im Nichtwohnbereich: Potential für die Energiewende (DKV Tagung: Herausforderungen 215 für Kälte-, Klima und Wärmepumpentechnik). Darmstadt, 1.2.215 14
Rahmenbedingungen für Industriewärmepumpen in den EU-28 (214) Bewertung der ökonomischen Rahmen- bedingungen anhand des Spark-Spreads: Spark Spread = K Strom K Gas η Wandlung η Wandlung =,9 K Strom = Strombezugspreis 2 bis 2 GWh K Gas = Gasbezugspreis (3 bis 28 GWh) * * *) Preise ohne erstattungsfähige Steuern /eurostat 215a/eurostat: Electricity prices for industrial consumer: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_25. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215b/eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215c/eurostat: Complete energy balances: annual data (nrg_11a). Brüssel (Belgien), 215 15
Rahmenbedingungen für Industriewärmepumpen in den EU-28 (214) Bewertung der ökonomischen Rahmen- bedingungen anhand des Spark-Spreads: Spark Spread = K Strom K Gas η Wandlung η Wandlung =,9 K Strom = Strombezugspreis 2 bis 2 GWh K Gas = Gasbezugspreis (3 bis 28 GWh) * * *) Preise ohne erstattungsfähige Steuern /eurostat 215a/eurostat: Electricity prices for industrial consumer: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_25. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215b/eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215c/eurostat: Complete energy balances: annual data (nrg_11a). Brüssel (Belgien), 215 16
Rahmenbedingungen für Industriewärmepumpen in den EU-28 (214) Bewertung der ökonomischen Rahmen- bedingungen anhand des Spark-Spreads: Spark Spread = K Strom K Gas η Wandlung η Wandlung =,9 K Strom = Strombezugspreis 2 bis 2 GWh K Gas = Gasbezugspreis (3 bis 28 GWh) * * *) Preise ohne erstattungsfähige Steuern /eurostat 215a/eurostat: Electricity prices for industrial consumer: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_25. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215b/eurostat: Gas prices for industrial consumers: bi-annual data (from 27 onwards). nrg_pc_23. Brüssel (Belgien), 215 /eurostat 215c/eurostat: Complete energy balances: annual data (nrg_11a). Brüssel (Belgien), 215 17
Chancen für die Wärmepumpe in der Industrie in Deutschland Chancen für die Umsetzung einer Wärmepumpenanlage: / Aufgeschlossene Partner / Substitution von hochpreisigen Energieträgern (Öl, Strom) / Geringer Temperaturhub (Prozesskälte Raumwärme und Warmwasser; Trocknungs- und Destillationsprozesse) / Vermarktung von Regelleistung / Akzeptanz höherer Amortisationszeiten Interne Verzinsung der Investition Anlagennutzungsdauer [a] Amortisationszeit [a] 2 3 4 5 6 7 8 9 1 15 2 1 62% 84% 93% 97% 98% 99% 1% 1% 1% 1% 1% 2 % 23% 35% 41% 45% 47% 48% 49% 49% 5% 5% 3 % 13% 2% 24% 27% 29% 3% 31% 33% 33% 4 % 8% 13% 16% 19% 2% 21% 24% 25% 5 % 5% 9% 12% 14% 15% 18% 19% 6 % 4% 7% 9% 11% 14% 16% 7 % 3% 5% 7% 11% 13% 8 % 2% 4% 9% 11% 18
Fazit Chancen der Wärmepumpentechnik: / Kongruenz mit den Zielen der Energiewende / Große Potenziale / Hohe Forschungsaktivität / Großes Angebot auf dem Markt Risiken für die Wärmepumpentechnik: / Hohe Strom- und niedrige Brennstoffpreise in Deutschland / Imageprobleme Neue Einsatzfelder für die Wärmepumpe: / Nichtwohngebäude mit Heiz- und Kühlbedarf / Industriebetriebe (Annex 35/13 follow up) / Nah- und Fernwärmenetze (Annex 47: 215 bis 217) / Wärmerückgewinnung aus Abwasser / etc. 19