A Future German Energy System Techno-Economic Optimization and Analysis Prof. Dr. Hans-Martin Henning Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg and Karlsruhe Institute of Technology KIT German Day Colloquium Solar Decathlon Europe Versailles, July 5, 214 www.ise.fraunhofer.de
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
German greenhouse gas emissions history and targets German energy-related CO 2 emissions (211): 2 % of Europe 2.5 % of world main focus of this talk
source: "Politikszenarien für den Klima-schutz VI - Treibhausgas-Emissionsszenarien bis zum Jahr 23. Öko-Institut et al. im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA), März 213 German energy-related CO 2 emissions (28) Distribution among sectors (Mio tons)
Motivation for this work Inter-sectorial overall energy system analysis Guiding questions Is it possible to achieve Germany s CO 2 emission reduction targets by using large shares of renewable energies? If yes: what is the best composition of such energy system? And what is its cost? Long term perspective on macro-economic level
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
Holistic model of the German energy system Approach Model of the overall energy system (all conversion chains and end-use sectors) based on hourly energy balance Generic optimizer optimum composition and sizing of all components including energy retrofit of the building stock Goal function: minimum of total annual cost (re-investment, maintenance, operation, financing) Appropriate treatment of a highly complex system with many interdependencies
Optimization of the German future energy system based on hourly modeling erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 13 Elektrolyse 33 GWel 82 82 H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas 335 22 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 6 7 18 4 KWK-GuD 27 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral 2 2 7 GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK REMod-D Renewable Energy Model Deutschland 23 13 14 Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 2 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 41 2 22 GWth 13 GWh % Wert 21 1 % 14 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Gebäude 6 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh 29 98 2 11 1 Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth 71 76 Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Optimization of the German future energy system based on hourly modeling erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Electricity generation, storage and end-use PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 REMod-D Renewable Energy Model Deutschland 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh 18 4 13 Brennstoffe 394 6 KWK-GuD 27 Erdgas Fuels Elektrolyse (including Gasturbine 35 GWel 33 GWel 1 GW 2 W-Speicher 82 335 Mobility 173 GWh Biomasse 7 WP zentral 2 2 biomass 82 and 6 GuD-KW 3 7 GWth H2-Speicher Treibstoff 22 3 GW (electric, H 4 Gebäude 59 hydrogen and 2, Verkehr Solarthermie 13 Sabatier Methan-Sp. 2 GWth Wärmenetze mit. GWgas fuels) GuD-KWK methane from RE) Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 2 GWth Wärmenetze mit Strombedarf BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Industry 55 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 13 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 22 GWth 13 GWh processes % Wert 21 1 % 14 14 41 Mini-BHKW 23 4 2 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie Brennstoffe 25 42 4 GWth 26 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 14 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh 29 98 2 11 1 Heat (buildings, including storage Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel 71 76 Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 and heating networks) Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 146 GW 135 GW 38 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 142 243 133 21 28 13 16 Elektrolyse 41 GWel 85 H2-Speicher 3 82 Erdgas Biomasse Sabatier 2 Methan-Sp..5 GWGas 1 36 3 4 8 Batterien 39 GWh 8 Brennstoffe 52 335 2 Gasturbine 1 GW GuD 26 GW 2 Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 2 ungenutzer Strom (Abregelung) 4 2 1 KWK-BHKW 1 1 GWel Solarthermie 12 9 W-Speicher 1 W-Speicher 13 GWth 9 GWh Verkehr 16 GWh 8 (ohne Schienenverkehr/Strom) WP zentral 1 Wasserstoff-basierter Verkehr GWth Gas-WP 7 73 Gebäude 82 Traktion 41 1 Gebäude 31 GWth 82 H2-Bedarf 82 2 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 1 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 1 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 8 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole 128 35 W-Speicher Traktion gesamt 137 55 GWth 256 GWh %-Wert 21 1 % 29 KLein-BHKW W-Speicher GWel GWh Solarthermie 21 113 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 24 GWth 143 Industrie und Gewerbe Gesamt 445 Solarthermie Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 GWth Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 9 Wärmebedarf gesamt 461 el. WP Luft 147 37 W-Speicher Solarthermie W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 63 GWth 296 GWh GWth 3 GWh 363 98 3 3 Solarthermie 24 135 Gebäude 2 Gaskessel 2 2 Gebäude.3 Geothermie 3 Gebäude 27 GWth 165 1 GWth 2 1 GWth 3 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe 9 Pump-Sp-KW 7 6 GWh 4 Einzelgebäude mit Gaskessel 85 5 155 3 KWK-GuD 35 39 GWel 46 W-Speicher 575 GWh WP zentral 16 39 12 GWth 25 Gebäude 64 Solarthermie 2 37 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie Optimization approach Assumptions CO 2 emissions available amount of fossil energy sources Basic electricity demand Optimizer minimize total annual cost Results Installed capacity of energy converters Process energy in industry Size of storages Total energy demand for mobility; composition of technologies for vehicles Available biomass Installed capacity of conventional power plants erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Range of building energy retrofit Heating technology mix (including district heating networks)
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
Fluctuating renewable energy sources Installed capacity in GW
Medium and large scale CHP systems (district heating) Installed capacity in GW el
Backup power plants Installed capacity in GW el
Total annual cost Bill.
Analysis of a selected system Space heating demand 4 % of the value of today (reduced by building energy retrofit) Cost optimized system for a reduction of energy-related CO 2 emissions by 81 % (compared to Kyoto reference value) PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 13 Elektrolyse 33 GWel 82 82 H2-Speicher 13 14 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien 335 22 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 6 KWK-GuD 27 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh 7 WP zentral 2 2 7 GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 2 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 41 2 22 GWth 13 GWh % Wert 21 1 % 14 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Gebäude 6 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh 29 98 2 11 1 Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth 71 76 Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 18 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Electricity generation erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 13 Elektrolyse 33 GWel 82 82 H2-Speicher 13 14 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr 335 22 Photovoltaics 147 GW el 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 Onshore Wind KWK-GuD 27 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral 2 2 7 GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 12 GW ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 el 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 2 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 41 2 22 GWth 13 GWh % Wert 21 1 % Medium and large size CHP 14 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 6 GW el 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh 29 98 2 11 1 Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth 71 76 Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 (connected to district heating) 6 7 18 Offshore Wind 32 GW el 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Heat decentralized erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien centralized PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 13 Elektrolyse 33 GWel 82 82 H2-Speicher 13 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Biomasse Sabatier Methan-Sp.. GWgas 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr 335 22 Solar thermal 42 GW th 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 KWK-GuD 27 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral 2 2 7 GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 2 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion 55 Brennstoffe 22 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 41 2 22 GWth 13 GWh % Wert 21 1 % 14 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in CHP in heat networks 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 6 GW el installed 4 GWth 26 Brennstoffe 42 4 capacity 6 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 15 GW 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh th centralized 29 98 2 11 1 heat pumps Solarthermie 7 39 Gebäude 73 Gaskessel 71 76 Gebäude.6 Geothermie 6 Gebäude 8 GWth 5 32 GWth 86 2 GWth 6 Heat pumps 22 GW th (el., brine) 19 14 GW th (el., air) 15 GW th (gas) 6 7 18 Solar thermal 4 GW th 4 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Storage erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 12 GW 32 GW 5 GW GW 7 GW 3 GW GW 143 217 112 21 26 12 13 Battery storage (3 kwh) Elektrolyse Number Appr.8 33 GWel Mio Units Total capacity 82 24 GWh Equ. full cycles 167-82 H2-Speicher 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 6 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier Methan-Sp.. GWgas 335 22 6 Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW 3 6 18 4 KWK-GuD 27 35 GWel 2 W-Speicher 173 GWh WP zentral 2 2 7 GWth 4 Gebäude 59 Solarthermie 13 2 GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Pumped storage power plants Number 7 42 Units Total capacity 6 GWh Equ. full cycles 117 - Electrolysers Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) 375 57 4 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 26 KWK-BHKW 23 25 GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral 23 16 Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth 23 Gas-WP 34 37 Gebäude 82 Traktion 41 44 Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf 82 59 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion Strombedarf 41 55 55 2 GWth Wärmenetze mit BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 4 22 Traktion Brennstoffe 55 22 13 el. WP Sole 51 14 W-Speicher Traktion gesamt 137 41 2 22 GWth 13 GWh % Wert 21 1 % 14 14 Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 6 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 42 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 42 Centralized heat storage (5. m³) 4 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Number 6 Appr.15 Units Wärmebedarf gesamt 388 14 el. WP Luft 43 11 W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt Total capacity 346 GWh 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh 29 98 2 11 1 Equ. full cycles 14 - Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude 5 73 Gaskessel 32 GWth 71 76 Gebäude 86.6 Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 Total capacity 33 GW el Full load hours 2485 h Only needed for mobility (not for electricity and heat sector) Decentralized heat storage (8 Liter) Number Appr.7 Mio Units Total capacity 319 GWh Equ. full cycles 138 - Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Annual energy balance () electricity production electricity use heat supply 78% fre * 4% heat pumps * fre = fluctuating renewable energies
Residual load 25 Base load minus production from fluctuating RE RE not sufficient excess generation
Reduction of the residual load
Reduction of the residual load
Reduction of the residual load
Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1) 1) Assumed doubling of fossil energy prices until 25
Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1)
Overall comparison Today vs. 25 optimized system primary energy () CO 2 -emissions (Mio t) annual cost (bill. ) -5% -81% M&O, invest, taxes & fees, profits taxes & fees, profits M & O, invest 1) 1) Assumed doubling of fossil energy prices until 25
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
Analysis of investments from today until 25 Onshore wind
Analysis of investments from today until 25 Photovoltaics
Analysis of investments from today until 25 Example photovoltaics total re-powering new installation
Analysis of investments from today until 25 Example photovoltaics Based on IEA technology outlook, 212
Analysis of investments from today until 25 Example photovoltaics
Investments for RE (wind, solar PV) and battery storage Bill p.a. Total investments (w/o capital cost, incl. re-powering) from 215 to 25: 47 bill. 214
Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels %
Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels 1 % %
Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Annual increase of world market price for fossil fuels 2 % 1 % %
Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Fuel price increase 2 % cumulatively avoided fuel cost 145 bill. 1 % 83 bill. % 66 bill. cumulative investments 47 bill.
Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Important to notice Only investments for major RE sources (wind, PV) and stationary batteries considered In addition more investments will be necessary for grid expansion, other storage technologies, CHP plants, system integration, efficient end-use technologies etc.
Transformation of the energy system Qualitative trend of total annual cost cost per year w/o transformation today mid century time [years]
Outline Targets of the German climate protection policy Analysis of a renewable German energy system in 25 Methodology Results Investments Conclusions & outlook
Summary 1/2 Reduction of energy-related CO 2 emissions by 8 % and above is possible and will in the long term lead to lower cost compared to the energy system of today The dependence on imports of energy will be significantly reduced Key elements of the transformation are Reduction of consumption (e.g. classical electricity consumption, space heat) Efficient conversion chains (e.g. electric engines and heat pumps replacing combustion processes) Renewable energies (electricity, heat)
Summary 2/2 This strategy is linked to significant local value and employment creation due to installation of many hundred thousands components and systems in all energy conversion and end-use sectors with participation of many groups of investors including citizens Flucutuaing renewable energies (wind, solar PV) will become the backbone of the electricity generation and dominate the overall system This requires flexibilization of residual electricity production and electricity use in all end-use sectors (mobility, heating) in order to make use of the high values of negative residual load
Outlook Include electricity export/import with neighbor countries Disaggregation of the model in various sectors Mobility Fuel conversion chains (e.g. biomass) Introduction of a simple building typology Adjustment of the model to describe and optimize transformation pathways; inclusion of diffusion/exchange rates and learning curves for all relevant technologies Country studies (e.g. Italy, California, South Africa)
References Henning, H-M., Palzer, A., A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies Part I: Methodology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 3 (214), pp 13 118 Palzer, A., Henning, H-M., A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies Part II: Results. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 3 (214), pp 119 134. Palzer, A., Henning, H-M., A future German energy system with a dominating contribution from renewable energies: a holistic model based on hourly simulation. Energy Technology 214, 2, pp 13 28 Henning, H-M., Palzer, A., ENERGIESYSTEM DEUTSCHLAND 25 - Sektor- und Energieträgerübergreifende, modellbasierte, ganzheitliche Untersuchung zur langfristigen Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen durch Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien. Studie Fraunhofer ISE, November 213. For download: http://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/presseinformationen- 213/energiesystem-deutschland-25
Thank you for your attention Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Hans-Martin Henning, Andreas Palzer www.ise.fraunhofer.de hans-martin.henning@ise.fraunhofer.de