Fraunhofer IWES Energiesystemtechnik Plattform Strommarkt Norman Gerhardt Berlin, 14. Oktober 2016 Die langfristige Entwicklung der KWK & Konsequenzen für 2030 auf Basis der Studie Interaktion EE-Strom, Wärme, Verkehr
Inhalt Einordnung KWK in 2050 80% vs. 95% Reduktion Treibhausgase Konsequenzen für 2030
Unsere langfristigen Klimaziele sind sehr ambitioniert Klimaziele 2050: Reduktion von -80% bis -95% der Treibhausgase Historisch Ziel 2030 2050 internationaler Verkehr LULUCF COP21 Paris Ansatzpunkte für KWK? Industrie Gebäudewärme Stromerzeugung Emissionen [Mio. t CO 2-Äqui. ] 1200 1000 800 600 400 200 Aus: Projekt "Sektorübergreifende Energiewende" für Agora 0 Energiewende (unveröffentlicht) -200 2010 2011 2012 2013 2014-55% -80% -95% Energiesektor Verkehr (national) Industrie Gebäudewärme Strom Nichtenerget. Emissionen
Was heißt Sektorkopplung? KWK Fokus: Power X aber auch Verkehr Strom Wärme Roadmap Gesamtsystem (Projektbeispiel): EE-Strom als zukünftiger Primärenergieträger und Haupttreiber! Keine EE-Überschüsse sondern es wird zusätzlicher EE-Strom ausgebaut
Welche Schlüsseltechnologien sind erforderlich? Große Vielfallt an Technologien aber zwei grundsätzliche Einteilungen: 1. E-Mobilität und Wärmepumpen auch unter Graustrommix 2. Power-to-Heat (Elektrodenkesel) und Power-to-Gas: Verfügbarkeit von Stunden mit 100%EE-Strom Hohe Effizienz Geringe Effizienz 2010 2020 2030 2040 2050 Wind / PV E-Mobilität Wärmepumpen PtH PtG Pkw: BEV, PHEV, REEV; OH-Lkw, Dezentral. Luft-WP, Sole- WP; Groß-WP in der Industrie und in Wärmenetzen, Elektrodenkessel in der Industrie und in Wärmenetzen; dezentral Heizstäbe, H 2, PtG, PtL, Neue el. Verfahren in der Industrie
Inhalt Einordnung KWK in 2050 80% vs. 95% Reduktion Treibhausgase Konsequenzen für 2030
Lösungsraum 2050? Ziel 80 bis 95% CO 2 -Einsparung Unsicherheit Welche Rolle können/müssen PtX-Importe spielen? Wie hoch ist die nationale Stromerzeugung? 2 Beispiele (83% / 95%) für eine starke nationale Elektrifizierung der gesamten Energieversorgung Eingangsgrößen Lineares Optimierungsmodell Ergebnisse SCOPE - Modell der sektorübergreifenden Ausbauplanung Strom-Wärme Fokus Deutschland unter Einbindung in Europa Brennstoffkosten Technologiekosten Potenziale/ Restriktionen Zeitreihen für Energiebedarfe (Strom, Wärme, Verkehr) Märkte: Strommarkt Technologieportfolio: Windkraft, PV Stromspeicher Europa und/oder DE Vollkostenminimierung unter Einhaltung von Klimazielen Wärmemärkte Gasmarkt Mobilität CO 2 -Markt Power-to-Gas BEV Optimale Strommix Optimaler Wärmemix Energiemengengerüst und installierte Leistung CO 2 -Preis PHEV/REEV Laufwasser KWK Klimatisierung Kessel Oberleitungs-LKW Kondensations-KW Power-to-Heat Wärmepumpen
Bedeutung neuer Stromverbraucher? Strombilanz: Bandbreite von zwei IWES- Klimaschutz -szenarien (DE) Unterscheidung in Neue und Alte Verbraucher? Aus: Projekt "Sektorübergreifende Energiewende" für Agora Energiewende (unveröffentlicht) Stromver brauch/-erzeugung [TWh/a] 1.100 1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher 2010-83% Szenario -95% Szenario Power-to-Liquid Netzverluste Power-to-Gas Oberleitungs-Lkw Speicherverluste E-Pkw Herkömml. Verbrauch Klimatisierung Wärmepumpen EE-Abregelung Power-to-Heat / Industrie-WP Müll-HWK, Klärgas Netzverluste Speicherverluste GT Herkömml. Verbrauch GuD EE-Abregelung Müll-HWK, KWK Klärgas GT Netto-Import GuD KWK Laufwasser Netto-Import Wind-Offshore Laufwasser Wind-Offshore Wind-Onshore Wind-Onshore PV PV
Bedeutung neuer Stromverbraucher? Strombilanz: Bandbreite von zwei IWES- Klimaschutz -szenarien (DE) Unterscheidung in Neue und Alte Verbraucher? Schwierig, aber wichtig um Effizienzziele definieren zu können Aus: Projekt "Sektorübergreifende Energiewende" für Agora Energiewende (unveröffentlicht) Stromver brauch/-erzeugung [TWh/a] 1.100 1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Verbraucher Erzeugung Verbraucher Erzeugung Verbraucher 2010-83% Szenario -95% Szenario Power-to-Liquid Power-to-Gas Oberleitungs-Lkw E-Pkw Klimatisierung Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Netzverluste Speicherverluste Herkömml. Verbrauch EE-Abregelung Müll-HWK, Klärgas GT GuD KWK Netto-Import Laufwasser Wind-Offshore Wind-Onshore PV
Wie sieht eine von fluktuierender EE-Einspeisung dominierte Welt aus? www.energieversorgungelektromobilitaet.de/ 2 Wochen in 2050 im 83%-Szenario Rolle KWK? Mitte April KWK
Fernwärme- und Industrie-KWK 2050? www.energieversorgungelektromobilitaet.de/ Übergangszeit reduzierte Einsatzzeiten Mitte April
Fernwärme- und Industrie-KWK 2050? www.energieversorgungelektromobilitaet.de/ Winter teilweise viel KWK-Potenzial Anfang Januar
Fernwärme- und Industrie-KWK 2050? www.energieversorgungelektromobilitaet.de/ Winter teilweise kein KWK-Potenzial Anfang Dezember
Fernwärme-KWK in 2050 Früher wurde unterstellt flexible KWK (hohe Leistungsauslegung bezogen auf Wärmehöchstlast + große Wärmespeicher) kann trotz Wind- und PV-Einspeisung hohe KWK-Anteile an Fernwärme erreichen? Aber wo kann noch CO 2 eingespart werden? Alternative Stromerzeugung? Kondensations-Kraftwerk (GuD/GT) Wind / PV Batterien / DSM Intern. Austausch es gibt wenig Stromlücken Alternative Wärmeerzeugung? Dezentrale Gaskessel Geothermie / Solarthermie / Groß-WP Dezentrale WP im Niedertemperaturbereich meist vorhanden
Fernwärme-KWK in 2050 Ausbau und Transformation Wärmenetzversorgung Temperaturabsenkung Einbindung von Geothermie, Solarthermie, Großwärmepumpen (Abwasser, industrielle Abwärme, Fluss, ), MVA Dezentrale Quartierskonzepte Wärmepumpennetze ohne KWK Geo Solar Groß-WP Wärmespeicher
Fernwärme-KWK in 2050 EE-Überschüsse? PtH kann aufgrund geringer Effizient nur sehr geringe Anteile ausmachen Begrenzte Brennstoffe Biomasse (Biogas/Holz/Biokraftstoffe) und PtG/PtL sind grundsätzlich austauschbar PtG bestimmt langfristig den Preis auch für Biomasse Lokale Lösungen für Wärmenetze (Assets, Potenziale und Kosten) Bei schlechter lokaler EE-Ressource (Geothermische Reservoirtemperatur, Flächenangebot Solarthermie, Umweltwärme für Wärmepumpen) Abhängigkeit von Biomasse und PtG tendenziell höhere Kosten mehr dezentrale Lösungen, geringeres Ausbaupotenzial für Fernwärme Bei gute lokaler EE-Ressourcen tendenziell geringere Kosten höheres Ausbaupotenzial für Fernwärme
Industrie-KWK in 2050 Heute KWK auch im Niedertemperaturbereich Anwendung: Warmwasser + Dampf- und Termo-Öl bis 300 C Zukünftig Fokussierung auf Hochtemperatur 100/140 C 500/600 C Es besteht noch deutliches Ausbaupotenzial im Hochtemperaturbereich Kombination KWK + Elektrodenkessel mit je nach Durchdringung von Wind und PV auch hohen Anteilen von PtH am Wärmemarkt
Schlussfolgerung 2050 1. Für die Teillösung des Lösungsraums starke Elektrifizierung ergeben sich stark reduzierte Einsatzzeiten der KWK 2. Deswegen ist eine Einbindung von EE-Ressourcen in Wärmenetze zwingend notwendig 3. Grundsätzlich weisen Wärmnetze ein großes Wachstumspotenzial auf, das umso größer ist, je besser die Verfügbarkeit lokaler EE-Ressource 4. Die Notwendigkeit des Einsatzes von Biomasse oder PtG muss reduziert werden, aufgrund deren höhere Kosten und Auswirkungen auf Wärmenetzausbaupotenzial 5. Industrie-KWK wird sich auf den Hochtemperaturbereich (Dampf, Termo-Öl) in Kombination mit PtH fokussieren
Inhalt Einordnung KWK in 2050 80% vs. 95% Reduktion Treibhausgase Konsequenzen für 2030
KWK in 2030 - grundsätzlich Es bestehen 2 grundsätzliche Anforderungen: 1) Robuster Pfad Entscheidungen für heute sollten ein sehr ambitioniertes Ziel 2050 von -95% nicht ausschließen Anpassungsfähigkeit in Infrastrukturplanung, Berücksichtigung von Lebensdauern, Temperaturabsenkung Keine Abhängigkeit von Brennstoffen Planung möglicher Erschließung potenzieller EE-Ressourcen 2) Klimaschutz heißt Integral über die Emissionen bis 2050 reduzieren Brückentechnologien haben eine 400 hohe Bedeutung sehr hoher Anteil 200 der Emissionen in der 0 Stromerzeugung (Kohle) KWK! -200 Emissionen [Mio. t CO 2-Äqui. ] 1200 1000 800 600 2010 Historisch 2011 2012 2013 2014-55% Ziel 2030 2050-80% -95% internationaler Verkehr LULUCF Energiesektor Verkehr (national) Industrie Gebäudewärme Strom Nichtenerget. Emissionen
KWK-Wärme Wärmepumpe Heizwerk Hybride Wärmesysteme Fernwärme: KWK + Groß-WP (z.b. Abwasser) Fernwärme: KWK + Solarthermie + Elektrokessel Industrie: KWK + Elektrokessel Flexible Stromerzeugung und -verbrauch Wärmeerzeugung (in GW) Wärmeerzeugung (in GW) Wärmeerzeugung (in GW) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1. Jan. 31. Jan. 2. Mrz. 2. Apr. 2. Mai. 2. Jun. 2. Jul. 1. Aug. 1. Sep. 1. Okt. 1. Nov. 1. Dez. 1. Jan. Solarthermie KWK-Wärme Elektrodenkessel Heizwerk 25 20 15 10 5 1. Jan. 31. Jan. 2. Mrz. 2. Apr. 2. Mai. 2. Jun. 2. Jul. 1. Aug. 1. Sep. 1. Okt. 1. Nov. 1. Dez. 1. Jan. KWK-Wärme Elektrodenkessel Heizkessel 7 6 5 4 3 2 1 1. Jan. 31. Jan. 2. Mrz. 2. Apr. 2. Mai. 2. Jun. 2. Jul. 1. Aug. 1. Sep. 1. Okt. 1. Nov. 1. Dez. 1. Jan.
Handlungsbedarf bis 2030 1. Kommunale Wärmepläne sind etabliert - in welchen Straßen ist/bleibt Gasnetz / Fernwärmenetz / nur Stromnetz - Steigerung Anschlussgrad - Transformationsplanung Fernwärmeerzeugung - Gebäudesanierung 2. PtH mit hoher Leistung standartmäßig etablieren - als virtueller Gas-Spitzenlastkessel (abschalten) - als zusätzliche Stromlast 3. Flexibilisierung über Wärmespeicher, lokal angepasste Lösungen (BHKW vs. GuD-EK, individuelle Ausprägung Sekundärnetze ) 4. Temperaturabsenkung zur Einbindung von EE-Wärme, kontinuierliche Erhöhung der EE-Anteile und Reduktion der Primärenergie-Faktoren
Schlussfolgerung 2030 1. Ausbau der KWK als Brückentechnologie 2. Hybride bzw. multivalente Netze bilden die Grundlage um Wärme- und Strommarkt effizient zu verbinden 3. Die langfristige Perspektive mit der Prämisse einer vollständigen Dekarbonisierung ist in der Planung zu berücksichtigen, um Lock-In- Effekte zu vermeiden 4. Es sind vor Ort kreative individuell angepasste Lösungen zu identifizieren
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Norman Gerhardt Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse E-Mail: norman.gerhardt@iwes.fraunhofer.de Tel.: 0561 7294-274 Fraunhofer IWES Königstor 59 34119 Kassel