Fernwärmesysteme Integration von KWK und Erneuerbaren Energien 30. April 2013 Dr. Frank May Vattenfall Europe Wärme AG 1 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Überblick Themen Problemstellung: Integration der Erneuerbaren Energien Integration von KWK und Erneuerbaren Energien Lösungsansätze durch KWK 2 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Problemstellung: Integration der Erneuerbaren Energien 3 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Integration fluktuierender Energie aus erneuerbaren Energien Urbanisierung 2020 leben 75% der Weltbevölkerung in Städten Führt zu konzentriertem Energiebedarf in Städten Besondere Bedeutung beim Klimaschutz Verbraucherseite Berücksichtigung unterschiedlicher Lebenszyklen in urbanen Strukturen Kostenübernahme ungeklärt Erneuerbare Energien Transformation des Energiesystems von lastoptimierter zu angebotsorientierter Energieversorgungsstruktur Immer größerer Anteil fluktuierender Energie aus Erneuerbaren Diese Entwicklungen erfordern einen Paradigmenwechsel: Vermehrtes Lastmanagements und Verstärkung der Systemintegration 4 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Integration fluktuierender Energie ist eine neue Herausforderung für die Übertragungsnetze (Systemstabilität/Versorgungssicherheit) Netzlast, Windenergieprognose und Windenergieeinspeisung in Ost-Deutschland Verläufe im Übertragungsnetz der 50Hertz (01.-31.10.2010) Leistung [MW] 16.000 Produktion > Last 14.000 Abweichung Prognose 12.000 10.000 8.000 Last 6.000 4.000 2.000 Wind Energie Feed-in 0-2.000 1.10. 8.10. 15.10. 22.10. 29.10. Datum Quelle: 50Hertz Transmission Windstille Gradient = eingetretene Regelzonenlast = Einspeisung Wind = Prognose Wind 5 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Entwicklung der Einspeiseprofile der Erneuerbaren Erneuerbare Erzeugung Sehr hohe Lastspitzen bei - PV - Wind onshore Bereits heute müssen Windstromüberschüsse abgeregelt werden Spätestens 2015 zeitweise mehr Erneuerbare Stromproduktion als Stromverbrauch v.a. durch PV Wie können die Erneuerbaren-Überschüsse genutzt werden? Oder wird das Abregeln der Spitzen deutlich steigen? Problematik PV-Abregelung Quelle: Prognos 2011 6 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Konsequenzen für die Einsatzweise der Stromerzeugung Einsatzweise muss auf die Integration Erneuerbarer ausgerichtet werden Kurzeitig wenig(er) Leistung produzieren wenn Überschüsse Erneuerbarer im Strom Kurzeitig volle Leistung bei dunkler Flaute Online-Ausregeln im Stromnetz Großanlagen zeigen bereits deutliche Beiträge ( smarte Fahrweise ), da Fahrweise am Börsenpreis orientiert und der Börsenpreis bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien niedrig ist Problemstellung BHWK und Wärmepumpen Rein wärmeorientierte Fahrweise KWKG motiviert BHKW s zur Eigenversorgung, automatische Integrationswirkung des Börsenpreises entfällt BHKW fährt gegen den Einkaufspreis der Versorgungsstelle (inklusive Netzentgelten, Steuern etc.) und ist damit motiviert möglichst viel zu fahren, ob Überschüsse erneuerbarer Energien vorhanden sind oder nicht Rund um die Uhr-Produktion Einsatzweise von BHKW und Wärmepumpen ist damit i.d.r. unsmart und trägt nicht für die Integration Erneuerbarer in das Stromsystem bei 7 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Verschiedene Maßnahmen zur Integration der erneuerbaren Energien sind erforderlich Maßnahmen Keine der Maßnamen wird alleine ausreichen Es ist ein Maßnahmenportfolio nötig Netzausbau Flexiblere Erzeugung konventioneller Kraftwerke Smart Grid / Lastmanagement Engergiespeicher Integration erneuerbarer Energien EEG-Flexibilisierungen / Modifikationen 8 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Lösungsansätze durch KWK 9 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Verschiedene Maßnahmen zur Integration der erneuerbaren Energien sind erforderlich Kopplung von Strom- und Wärmemarkt Maßnahmen KWK und Fernwärme Virtuelle Kraftwerke für BHKW und Wärmepumpen Wärmespeicher Wind zu Wärme Power-to-Gas Hybrid-kraftwerk Prenzlau Windwasserstoff Netzausbau Flexiblere Erzeugung konventioneller Kraftwerke Smart Grid / Lastmanagement Engergiespeicher EEG-Flexibilisierungen / Modifikationen Integration erneuerbarer Energien Beiträge Vattenfall Mobilität: Elektro- und Wasserstoffantrieb Smart-Grids Intelligente Konzepte für den Strom lassen sich insbesondere auch durch die Kombination / Kopplung mit dem Wärmemarkt realisieren 10 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
KWK bietet für die Energiewende gute Voraussetzungen KWK ist lastnah ( dezentral ) KWK verknüpft Strom- und Wärmemarkt Energiewende KWK bietet Stromkapazität KWK lässt sich durch Wärmespeicher und Wind zu Wärme (noch) zukunftsfähiger machen 11 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Örtliche Auflösung: Verteilung der Erneuerbaren Energien und KWK-Anlagen Erneuerbare = i.d.r. lastfern KWK immer lastnah (dezentral) Erneuerbare werden Zentral und brauchen Netzausbau Nur KWK ist immer verbrauchernah und entlastet die Stromnetze 12 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Wärmemarkt: die WärmeERZEUGUNGSSEITE ist alt / ineffizient und verwendet wenig erneuerbare Energien Sehr hohes Verbesserungspotential vorhanden: z.b. durch KWK / Fernwärme 13 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Hohe Effizienz und hoher Anteil Erneuerbarer Energien in der Fernwärme (Beispiel Hamburg) Nutzung von KWK Nutzung regenerativer Energien Quelle: Statistisches Landesamt, Masterplan Klimaschutz 14 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Zukunftsfähige KWK und Fernwärme zur Erfüllung der Herausforderungen im Wärmemarkt Heizkessel Öl Brennwert Öl Brennwert und 10% Erneuerbar Gas Brennwert 250 200 Gas Brennwert und 10% Erneuerbar g CO 2 /kwh th 300 Erzeugung -50% Szenario KWK Gas BHKW KWK-Quote 50% 150 Gas GUD Fernwärme KWK-Quote 70% 100 Gas BHKW KWK-Quote 90% Gas GUD Fernwärme KWK-Quote 90% 50 0 2010 2020 15 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 2030 2040 2050 Strom: Erneuerbare und KWK harmonieren gut miteinander KWK und Erneuerbare gehen sich prinzipiell gut aus dem Weg : Integration Teil der Biomasseproduktion ist KWK Keine Überschneidungsproblematik da die Stromproduktion die Gleiche ist Biomasse ist ideal zu regeln aber leider bisher nur geringe Ansätze/Motivation dies zu nutzen Biomasse Wind Windprofile und KWK Profile harmonieren relativ gut Beispiel Dänemark zeigt: Es geht über 40% KWK und über 19% Wind im Jahresanteil Kurze moderate Sturmfronten lassen sich gut durch KWK Anlagen/Fernwärme ausregeln KWK und PV sind von Natur aus antizyklisch (Wärme/KWK im Winter PV im Sommer) 16 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Photovoltaik Gleichzeitigkeit mit KWK ist gering KWK Anlagen können sehr gut zur nächtlichen Ausregelung im Sommer beitragen
Zusätzliche Steigerung der Integration bei KWK und Fernwärme Neue Maßnahmen / Optionen zur weiteren Flexibilitätserhöhung vorhanden Wärmespeicher Wind und PV zu (Fern-)Wärme / Elektro- Heizsysteme von besonderer Ökoqualität Funktionsprinzip: Nutzung regenerativer Strom-Überschüsse in der Fernwärme Vorteile: Relativ einfache Einsatzweise Elektrische Heizsysteme können direkt und ohne Umwege Primärenergie einsparen Energiespeicherung erfolgt im Gasnetz bzw. auf dem Lagerplatz (Kohle/Biomasse) Eingesparte Brennstoffe können zur Stromerzeugung genutzt werden Techniken für alle Größenordnungen vorhanden Schnelle technische Einführung möglich 17 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Fernwärme/KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Konzept des Innovationskraftwerks (3/3) Standardanwendung der KWK Normales Windaufkommen Normale PV Stromnetz KWK-Anlage Brennstoff KWK- Wärme Fernwärme 18 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Fernwärme/KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Konzept des Innovationskraftwerks (2/3) Flexibilitätserhöhung durch Wärmespeicher Wind/PV zu Fernwärme Normales Windaufkommen Normale PV Stromnetz KWK-Anlage KWK- Wärme Fernwärme Brennstoff KWK- Wärme Wärmespeicher Elektro-Kessel 19 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Fernwärme/KWK die optimale Ergänzung zu Wind und PV Konzept des Innovationskraftwerks (3/3) Flexibilitätserhöhung durch Wärmespeicher Wind/PV zu Fernwärme Freigabe durch Stromnetzbetreiber zum Einsatz des Windheizers statt die Windanlagen abzuregeln Sehr hohes Windaufkommen Sehr viel PV Stromnetz KWK-Anlage KWK- Wärme Fernwärme Brennstoff Brennstoff wird gespart (bleibt im Gasnetz oder auf dem Lagerplatz) Primärenergie-Einsparung oder indirektes Biomethan Strom Elektro-Kessel Elektro- Wärme Wärmespeicher 20 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
Geht auch ergänzend im Kleinen : Optimierung von BHKW und Wärmepumpen Das virtuelle Kraftwerk von Vattenfall: Wind und Wärme vernetzt 21 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Funktionsweise von Wind zu Wärme und Wärmespeicher am Beispiel der zu erwartenden Herausforderungen Hoher Strombedarf = Viel Verbrauch und wenig Erneuerbare Wärmespeicher wird mit KWK vor -geladen Windeinspeisung und Residuallastverlauf am 3-9.Februar 2009 Projektion auf 2020 GW 90 80 70 60 50 40 30 20 (installierte WEA: 24 GW) Steigende Nachfrage ~30 GW GW 90 80 70 60 50 40 30 20 (installierte WEA: 45 GW) ~50 GW Starke Lastrampe schnelles Anfahren der KWK- Anlagen oder auch nur der Gasturbinen der GuD`s Versorgungssicherheit 10 fallende Windeinspeisung 0 1318 1342 1366 1390 1414 1438 1462 Di Mi Do Fr Sa So Mo 10 0 1318 1342 1366 1390 1414 1438 1462 Di Mi Do Fr Sa So Mo Stromnachfrage Windeinspeisung Residuale Last Entlastung in windreichen Zeiten Wärme fährt aus Speicher (Entladung) Wind zu Wärme (Brennstoff wird gespart) Windstromüberschüsse werden reduziert 22 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30
VirtualHeatPowerREADY: Ein Leistungsversprechen gegenüber Kunden, Lieferanten und Netzbetreibern Zentrale Leitstelle Schnelle, einfache und kostengünstige Einbindung Umfasst verschiedene Anforderungen bzgl. Systemkonfiguration, Steuerungs- und Messelemente Steuerung Kommunikationsmodul Modem Dezentrale Anlage Leistungsversprechen An Netzbetreiber (z.b. für BHKW) An (Wärme-)Kunden Einbindung vieler Technologien Steuerung VHP An Lieferanten (z.b. für BHKW) BHKW 23 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Beispiel für Verbindung urbaner Strukturen und Energiewirtschaft: Zukünftiges Wärmekonzept für Hamburg Innovatives Wärmekonzept für Hamburg 160 Million /a zur Netzerweiterung/ Instandhaltung und Modernisierung Bau eines Innovationskraftwerks als Ersatz für HKW Wedel mit: GuD Energiespeicher Wind zu Fernwärme Haferweg Aufbau Gaskessel (Spitze / Reserve) Fernwärmewachstum / Neuanschlüsse Ziel 500.000 versorgte Wohneinheiten bis 2020 Smart HafenCity Projekt Brennstoffe für Neuanlagen werden gemeinsam mit der Stadt festgelegt Speicher für GuD Tiefstack Effizient Erneuerbar Flexibel CO 2 - Einsparung 600.000-800.000 t/a Verzicht der Trasse Moorburg Nutzung Abwärme Virtuelles Kraftwerk Energiekonzeption für den Bereich Süderelbe Ausbau der Smart Meter: 80.000 Stück für Kunden mit jährlichem Verbrauch <6.000 KWh 24 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Maßnahmen Wärme Maßnahmen Strom/Distribution (Auszug)
Zusammenfassung: Beitrag KWK zur Integration der Erneuerbaren Integrations- und Regelportfolio Regelungsfähigkeit der Bestands- Kraftwerke erhöhen Aufbau von Regelkapazitäten Mit Biomasse regeln Netzausbau Speicher Diese Beiträge werden auch dringend gebraucht Beitrag der KWK/Fernwärme Umrüstung bei Heizkraftwerken, Regelung bei BHKW KWK-GUD bzw. Gasturbinen Aufbau i.d.r. KWK-Anlagen KWK ist immer verbrauchernah und wirkt netzentlastend Wärmespeicher Demand Side Management (DSM) und Speicher Kapazitätsaufbau 25 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30 Wind/PV zu (Fern)Wärme Neubau am Ort des Wärmeund Stromverbrauchs Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26 Fernwärmesysteme Dr. Frank May 2013.04.30