Berliner Energietage 2015 Power-to-Heat in Hybridheizungen: Potenziale, Rahmenbedingungen, Praxiserfahrungen 27.04.2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Berliner Energietage 2015 Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Energiewende nicht ohne Wärmewende Berlin, den 27. April 2015 Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Dezentrale hauseigene Wärmespeichersysteme zur multivalenten Beheizung von Immobilien mit fluktuierender regenerativer Energie F&E-Aufgaben aus der Sicht der betrieblichen Praxis Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Allgemein: Energiepolitik, Potenziale und Landesplanung: Nach der Ausweisung der Windeignungsflächen im Dezember 2012 stehen rund 1,7 Prozent der Landesfläche für den Ausbau der Windenergie zur Verfügung; damit hat die Landesregierung die Potenzialstudie des BWE bestätigt. (OVG-Urteil aus Januar 2015) Im kommenden Jahrzehnt plant das Bundesland einen durchschnittlichen Zuwachs von 550 MW pro Jahr. Für die hohe Akzeptanz der Windenergie in der Bevölkerung und eine regionale Wertschöpfung sorgen nicht zuletzt die zahlreichen Bürgerwindparks zwischen Nord- und Ostsee. Die rot-grüne Landesregierung erwartet bis 2020 einen rechnerischen Anteil der Erneuerbaren Energien am Stromverbrauch von mindestens 300 Prozent damit wäre das Land zwischen den Meeren im Jahr 2020 rechnerisch CO2- frei. Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Ziele der Bundesregierung Ziele der amtierenden Landesregierung Schleswig- Holstein bundesweit mind. 50 % bis 2025, in SH mind. 300 % Anteil der EE am Stromverbrauch 40-45 % bis 2025 80 % bis 2050 bundesweit 100 % bis 2050 Anteil der EE am Wärmeverbrauch (Endernergieverbrauch) 14 % bis 2020 mind. 22 % bis 2025 Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Klassische Stromerzeugung (Gesamt EU-Konzeption europ. Verbundnetz) Deutschland und die meisten Länder auf der Welt hatten und haben einen klassischen Ansatz für eine elektrische Stromversorgung und diese basiert auf großen zentralen Erzeugungseinheiten, die den Strom zu den Verbrauchern über lange Kabelstrecken bringen. Dies geschieht über verschiedene Netzebenen, wie die folgende Abbildung anschaulich zeigt. Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Windkraftanlagen speisten zeitweise mit einer Kraft von etwa 30 Gigawatt Strom ein - so viel wie 30 Atomkraftwerke. - Das Stromsystem war damit leider - ziemlich überfordert: Allein Netzbetreiber Tennet regelte Windkraftanlagen mit einer Leistung von 0,45 Gigawatt ab. Bezahlen müssen die Verbraucher den nicht produzierten Strom dennoch An der Börse drehte der Strompreis zeitweise in den negativen Bereich. So sind die Netze zu schwach, um die Elektrizität bei starkem Wind in vollem Umfang dorthin zu transportieren, wo sie gebraucht wird Wärme aus Strom ("Power-to-Heat") könnte eine Lösung sein Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Zunehmende Abregelung von EE- Stromerzeugungsanlagen Ausfallarbeit in Deutschland Jahr Jens-Christian Magnussen 27. April 2015 in GWh 2010 126,8 2011 420,6 2012 384,8 2013 555 Ausfallarbeit nahm von 2011 bis 2013 um 32% zu Entschädigungsanspruch 2012 für Abregelungen in Schleswig-Holstein: 26 Mio EUR (Schätzung der Netzbetreiber) Quelle: http://www.schleswigholstein.de/energie/de/energiewende/kosten_energiewende/einspeisemanagement_faq_pdf blob=publicationfile.pdf
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Statistische Daten: 3.228 Windenergieanlagen 9.010 Arbeitsplätze 5.089 Installierte Leistung in MW 6.611 GWh (Stromerzeugung aus Windenergie, 2012) 26,2 % (Anteil der Windstromerzeugung an Bruttostromerzeugung, 2012) 15.799,61 (Landesfläche in km²) 2.806.531 (Einwohnerzahl) Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Verkehr 21,2 TWh 31% Dienstleistung, Gewerbe, Handel 8,7 TWh 13% Haushalt 25,6 TWh 38% Stromverbrauch 5,5 TWh 8% Wärmeverbrauch 20,0 TWh 30% Industrie 12,4 TWh 18% Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Wissensaustausch zwischen Wissenschaft und Wirtschaft Derzeitige EinsMan- (Überschussstrom) Abschaltungen erfordern kurzfristige Lösungen, betriebliche Praxis insbesondere des Mittelstandes für Lösungsansätze nutzen Entwicklung von Übergangslösungen mit Langzeitnutzbarkeit (auch nach Optimierung der Netzkapazitäten) Mittelstand als Rückgrat der Gesellschaft lebt von schneller und flexibler Umsetzung von Innovationen. Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Einzelne Systemkomponenten stehen zur Verfügung Aufgabe des Mittelstandes sind nunmehr: Zusammenführen der Einzelkomponenten Entwicklung und Installation der Schnittstellen Intelligenz in die Haushalte / zu den Verbrauchern smart home Voreilende Intelligenz der Speicherkapazitäten (Speichermanagement) Begleitung der Normungsverfahren für Schnittstellen HW und SW Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Ganzheitlicher Ansatz nach DIN 18599 Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Hauptzähler Signal Überschuss verfügbar Überschuss- Energiezähler übliche Haushaltsverbraucher Überschuss- Verbraucher Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Hauptzähler Signal Überschuss verfügbar Unterzähler übliche Haushaltsverbraucher Überschuss- Verbraucher Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Elektr. Heizstab 1,5 bis 9 kw elektr. Durchlauferhitzer 9 kw elektr. Durchlauferhitzer 27 kw elektr. Einbauheizung 1,7 kw -45 kw Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen aktueller und prognostizierter Bedarf Signal Überschuss verfügbar Temperaturen Heizelementfreischaltung Nutzer-Option: Zustands- und Datenabfrage Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Feldexperimente im Hinblick auf Technologiesicherheit, betriebswirtschaftliche Daten und gesellschaftliche Akzeptanz Softwareentwicklung und Erprobung zur zeitlich-räumlichen Ermittlung der Speicher- bzw. Abnahmekapazitäten Softwareentwicklung und Erprobung zur hierarchischen Verknüpfung mit anderen Energiequellen (auch mittels Wetterprognosen) Softwareentwicklung und Erprobung von Zu- und Abschaltungshierarchien um technologisch flexibel auf mögliche Vertriebs- und Abrechnungskonzepte bei fluktuierendem Stromdargebot reagieren zu können Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Erstellung von belastbaren wirtschaftlichen Kennzahlen, ob und inwieweit eine Rentabilität in der Praxis durch diesen Ansatz gegeben ist Erarbeitung eines Technologie- und energiewendeorientierten Vertriebskonzept von WindWärme Nicht nur Großanwendungen lösen das Problem, gerade die Kleinanwendungen sind der richtige Schritt Mit power to heat Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Praxiserprobung: erforderlich sind u.a: WindWärme-Demonstrationsanlagen bei mind. 150 Haushalten mit unterschiedlichem technologischen Ausbau und Wärmebedarf Pilotbetrieb ab sofort durch praktische Simulation der elektrischen Energie- Abnahme online zu den EinsMan-Abschaltungen Kosten für Pilotanlagen und Energiebezug sind während des Pilotbetriebs finanziell und organisatorisch durch die Gesellschaft einzubringen (u.a. durch staatl. Forschungsförderung und Wirtschaft wie u.a. Handwerkerschaft und der Industrie ) Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Fazit: Sehr schnell und ohne größeren Aufwand ist die Umsetzung möglich Beschlüsse des Kreistages Nordfriesland und Absichtserklärungen des Kreistages Dithmarschen formulieren die Bereitschaft zur Modellregion Aus Sicht der betroffenen Regionen und insbesondere des Mittelstandes ist unverständlich, warum das EinsMan-Thema, das wahrscheinlich kein kurzfristig temporäres Problem der Energiewende ist und uns auf Jahrzehnte begleiten wird, nicht endlich mit aussagekräftigen F&E-Projekten gern auch in Konkurrenz zueinander angegangen wird. (SüdLink ) Hier ist auch das Land S-H in Verantwortung gegenüber den Menschen und der Wirtschaft im Focus des Handelns. WICHTIG sind die rechtlichen Grundlagen für Nutzung von Überschussstrom Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Perspektiven: Viele andere Nutzungsmöglichkeiten (Module) außer Wärme können von diesem Modellprojekt abgeleitet werden: Kühlung (Kühlhäuser) Erwärmung von Schwimmbädern Elektromobilität Ladestationen Wir setzen bei diesem WindWärme-Konzept auf perspektivische modulare Anwendungsbereiche Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Power-to-Heat ist geeignet, ein zentrales Problem der Energiewende zu lösen Koalitionsvereinbarung vom 27.11.2013, Kapitel 1.4 Die Energiewende zum Erfolg führen: In einem Strommarkt mit einem weiter zunehmenden Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien werden wir Strom, der sonst abgeregelt werden müsste, für weitere Anwendungen, etwa im Wärmebereich, nutzen. Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Erneuerbare Energie ausbauen Strom-Angebotsspitzen sinnvoll nutzen Danke für Ihre Aufmerksamkeit Jens-Christian Magnussen 27. April 2015
Power-to-Heat in Hybridheizungen IWO-Konzept Simon Jastrzab Berlin, 27.04.2015
Der Strommarkt 29 www.zukunftsheizen.de
und der Wärmemarkt 30 www.zukunftsheizen.de
und der Wärmemarkt 31 www.zukunftsheizen.de
wachsen zusammen 32 www.zukunftsheizen.de
und nutzen Strom-Angebotsspitzen 33 www.zukunftsheizen.de
Weitere Option: Nutzung von PV-Strom 34 www.zukunftsheizen.de
zur Wärmeerzeugung 35 www.zukunftsheizen.de
Power-to-Heat in Hybridheizungen Die ökonomischen Potenziale der Vernetzung von Strom- und Wärmemarkt Michael Bräuninger, Lars Ehrlich, Jonas Klamka, André Wolf
Herausforderungen durch die Energiewende: Fehlende Synchronität von Erzeugung und Verbrauch von Strom Beispiel: Weihnachten 2012 MWh MWh Einspeisemengen Strom aus Windkraft und Photovoltaik 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0 Stromverbrauch insgesamt 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 Börsenpreis Spotmarkt EEX /MWh 50 0-50 -100-150 -200-250 24.12., 13 Uhr 24.12., 15 Uhr 24.12., 17 Uhr 24.12., 19 Uhr 24.12., 21 Uhr 24.12., 23 Uhr 25.12., 1 Uhr 25.12., 3 Uhr 25.12., 5 Uhr 25.12., 7 Uhr 25.12., 9 Uhr Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 37
Zukünftige Entwicklung des Erzeugungsmix Entwicklung installierte Stromerzeugungskapazitäten nach EEG-Novelle 2014 GW 80 75,0 70 60 50 50,0 52,0 52,0 40 35,0 37,4 30 27,1 20 18,4 17,3 15,0 10 0 6,1 6,5 2,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,6 2000 2005 2010 2014 2020 2030 Wind onshore Wind offshore Photovoltaik Quelle: BMWI (2014c); HWWI (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 38
Existierende Regelinstrumente: Speicher Stromspeicher Das Zwischenspeichern von Strom ermöglicht die (begrenzte) Überbrückung zeitlicher und räumlicher Ungleichgewichte Zentrale Speichertechnologien Pumpspeicher (ca. 5,65 GW) Druckluftspeicher Power to Gas/Wasserstoff Dena-Speicherstudie (2010): Massiver Ausbau notwendig Pumpspeicher haben negative externe Effekte: Hoher Flächenverbrauch Starke Eingriffe in Umwelt und Landschaftsbild Andere Speichertechnologien noch kaum entwickelt und unrentabel Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 39
Existierende Regelinstrumente: Lastregulierung Anteil Stunden am Tagesstromverbrauch für Haushalte und Unt. Prozent 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0.00 Uhr 2.00 Uhr 4.00 Uhr 6.00 Uhr 8.00 Uhr 10.00 Uhr 12.00 Uhr 14.00 Uhr 16.00 Uhr 18.00 Uhr 20.00 Uhr 22.00 Uhr Quellen: E.On (2013); Eigene Berechnungen Unternehmen Haushalte Lastregulierung Unternehmen: Freiwillige Vereinbarungen (Lastmanagement nach 14 EnWG) Haushalte: Bisher geringe Potenziale, die weiter abnehmen, da Geräte immer effizienter werden Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 40
Integration des Heizsystems in die Stromversorgung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 41
Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 42
Derzeitige Residuallast auf Stundenbasis 1. Informationen über viertelstündliche Erzeugungsdaten im Bereich Wind- und Solarenergie 2. Stündliche Daten zu Lastgängen im Jahresverlauf Residuallast Deutschland 2012 (Tagessummen) GWh 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200 0 01.01.2012 01.03.2012 01.05.2012 01.07.2012 01.09.2012 01.11.2012 Quellen: EEX, Übertragungsnetzbetreiber, ENTSOE (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 43
Prognose für die Residuallast auf Stundenbasis Skalierung der stündlichen Erzeugung im Beispieljahr 2012 auf das Jahr 2020 und 2032 Grundlage: Studien zur Entwicklung installierter Kapazitäten und Auslastungsgrade von Windkraft / Photovoltaik Annahme: Konstanter Stromverbrauch Prognosen: Installierte Kapazitäten 2020 und 2032 (GW) 2014 2020 2032 Wind onshore 35 50 61 Wind offshore 0,6 6,5 28 Photovoltaik 37,4 52 65 Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 44
Prognose des Börsenpreises von Strom Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 45
Markt für Regelenergie: Das Design 5 Minuten 15 Minuten PRL SRL MRL Ausgleich durch betroffenen Bilanzkreisverantwortlichen 30 Sekunden 1 Stunde Primärregelleistung (PRL) Sekundärregelleistung (SRL) Minutenreserveleistung (MRL) Minimale 1 MW 5 MW 5 MW Angebotsgröße Vorlaufzeit 30 Sekunden 5 Minuten 15 Minuten Ausschreibungszeitraum wöchentlich wöchentlich täglich Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 46
Markt für Regelenergie: Die Leistungspreise Durchschnittlicher Leistungspreis in Euro pro MW und Tag. Grau MRL, rot SRL. 2012 2013 Deutlicher Zuwachs der Kosten für Minutenreserveleistungsvorhaltung zwischen 2012 und 2013. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 47
Markt für Regelenergie: Die zukünftige Entwicklung + - Ausbau der Erneuerbaren führt zu mehr inflexibler, schwankender Erzeugung. Konventionelle Kraftwerke werden verdrängt. Verbesserungen der Prognosetechnik erlauben bessere Steuerung. Überregionale Kooperation und zunehmende Liquidität ermöglichen kurzfristigen Fahrplanausgleich. Konservative Annahme: Konstanter Bedarf Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 48
Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 49
Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen Verteilung des Wärmeverbrauchs über den Tag Wärmebedarf wird über Strom gedeckt, sofern dies günstiger ist Der bauliche Wärmeschutz variiert nach Modernisierungszeitpunkt und Alter => der spezifische Endenergieverbrauch für Wärme liegt zwischen 97-152 kwh/qm p.a. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 50
Annahmen zum Strompreis für Heizen Szenario Status Quo Szenario PtH-Strom Börsenpreis Börsenpreis + + ca. 16 ct/kwh für Netzentgelt 6,052 ct/kwh + EEG-Umlage 6,24 ct/kwh + Konzessionsabgabe 1,59 ct/kwh + Stromsteuer 2,05 ct/kwh ca. 10 ct/kwh für Netzentgelt + EEG-Umlage + Konzessionsabgabe + Stromsteuer + + MwSt 19 % MwSt 19 % Im Folgenden angenommen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 51
Jährliche Ersparnis durch die Hybrid-Technologie bei variablen Stromtarifen Brennstoffpreise Konstant Brennstoffpreise im Trend Verbrauch in kwh Monetär in Verbrauch in kwh Monetär in Jahr 2020 237 2 2.739 43 Jahr 2032 3.962 55 7.819 206 Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 52
PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Chancen 1) PtH-Heizungen können als virtuelles Kraftwerk (Pool) negative Minutenreserveleistung anbieten. 2) Privater Nutzen: Erlösen am Regelenergiemarkt. 3) Gesellschaftlicher Nutzen: Kostengünstigere Bereitstellung der Regelenergie. 1) Vorschriften zur Präqualifikation von Regelenergie-Anbietern sind für großen Anbietern ausgelegt. 2) Hohe Kosten für die Präqualifizierung vieler kleiner Einheiten im Pool. 3) Die IKT zum Abrufen der Regelleistung ist noch teuer. Es besteht ein erhebliches Kostensenkungspotenzial. Hindernisse Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 53
PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Beispielrechnung: Annahmen: Minimaltemperatur: 35 C; Maximaltemperatur: 85 C Zeitscheibe: 00:00 bis 04:00 Uhr Gebotsgröße: 5 MW Teilnehmer: 834 Heizungen je 6 kw Heizstab (5004 kw) Speichervolumen: 500/750/1000 Liter Wärmeprofil vom Durchschnittshaushalt IKT-/Präqualifizierungs-/Poolbetreiberkosten nicht berücksichtigt Angebot zum Durchschnittspreis Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 54
PtH-Hybridheizungen als Anbieter von Regelleistung Methodik zur Berechnung des Erlöspotenzials: 1. Ladung am 01.01. um 04:00 Uhr 2. Speichertemperatur abzüglich des Verbrauchs und der Bereitschaftsverluste 3. Neue Ladung am nächsten Tag um 04:00 Uhr, falls um 00:00 Uhr Differenz zwischen aktueller Speichertemperatur und Maximaltemperatur ausreicht, um 4h den Heizstab bei voller Leistung zu betreiben. Speichervolumen 500 Liter 750 Liter 1000 Liter Tage ohne Ladung 44 28 23 Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 55
Amortisationsrechnung: Investitionskosten Beispielrechnung: Mehrkosten bei Heizungsmodernisierung Kostenseite + Pufferspeicher mit Trinkwarmwasserstation 1.800 + PtH-tauglicher Elektroheizer 700 - Trinkwarmwasserspeicher alleine 700 Gesamt Investitionskosten 1.800 Erlösseite Ersparnis in der Wärmeerzeugung Zu erwartende Bereitschaftsentgelte aus der Bereithaltung von Regelenergie Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 56
Amortisationsrechnung 1.800 Investitionskosten Einsparungen konst. Brennstoffkosten 64 /a Erlöse aus Regelenergie 28,5 /a Amortisationszeit 19,3 Jahre Trend Brennstoffkosten 9,5 125,1 /a Jahre Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 57
Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 58
Gesamtwirtschaftliche Potenziale Ermittlung Erzeugungsüberschüsse: Vorgehensweise Bestimmung des Schwellenwerts aus dem Zusammenhang zwischen Residuallast und Börsenpreisen Intuition: Zu Preisen unterhalb des Schwellenwerts sollte selbst Grundlasterzeugung aus dem Markt gedrängt werden Das wäre bei Preisen der Fall, die die Gestehungskosten von Kernkraft und Braunkohle nicht mehr decken Schwellenwert: Residuallast ~3 / Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 59
Wärmeverbrauch in Haushalten mit Öl- und Gasheizungen 2013 gab es in Deutschland rund 5,8 Mio. (ca. 30 %) mit Heizöl und über 13 Mio. (ca. 64 %) mit Gas betriebene zentrale Wärmeerzeuger. Davon befinden sich etwa 85 % in Ein- und Zweifamilienhäusern. Alle ab 2014 neuinstallierten Brennwertkessel sind potenzielle PtH-Hybridheizungen. Annahme: Nur bei 20% wird tatsächlich eine PtH-Hybridheizung installiert. Zwei Szenarien für die Zahl der Modernisierungen: Szenario 1: Fortschreibung der Modernisierungsrate aus der jüngeren Vergangenheit von Öl- und Gas-Brennwertkessel Szenario 2: Verdopplung der Heizungsmodernisierung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 60
PtH-Überschussstromnutzungsquote Optimaler Heizstromverbrauch der einzelnen Anlage Der volkswirtschaftlich erwünschte Beitrag zur Netzstabilität wird durch die Preisszenarien determiniert 2032 Modernisierung im Trend Verstärkte Modernisierung Szenario Brennstoff konstant Brennstoff Trend Brennstoff konstant Brennstoff Trend PtH-Preise 4,7 % 14,7 % 7,8 % 25,2% Bei Spitzenlasten geringere PtH-Überschussstromnutzungsquote. Höhere PtH-Anteile führen zu höheren Quoten PtH allein reicht nicht zur Stabilisierung, kann aber mit schon heute vorhandenen und rentablen Technologien beitragen Weiterer positiver Effekt: Sinkende Kosten der Regelenergie Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 61
Gesamtwirtschaftliche Potenziale der Nutzung von dezentralem PV-Strom Jahresende 2013: ca. 1,4 Millionen installierte PV-Anlagen in Deutschland (ca. 35,7 GW Leistung) Enge räumliche Korrelation mit Ölheizungen Nutzung von überschüssigem PV-Strom als Wärmequelle: Entlastung ländlicher Verteilnetze, reduziert den Ausbaubedarf Bei Erreichen von Ölparität zudem Kostenersparnis auf individueller Ebene denkbar Vorgehen: Ermittlung des physischen Potenzials von PV zur zukünftigen Deckung des Wärmebedarfs Leitung von überschüssigem PV-Strom (nach Deckung des Eigenbedarfs an Strom) in den Heizstab zur Wärmeerzeugung Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 62
Schätzung der Potenziale von dezentralem PV-Strom 1. Schätzung von Erzeugungspotenzialen nach Standort und Anlagengröße Liefert Durchschnittserzeugung in sehr feiner räumlicher Auflösung für einzelne Monate Ermöglicht ortsgleiche Schätzungen von PV-Erzeugung und Wärmebedarfen 2. Schätzung des monatlichen Stromverbrauchs Verbrauch eines 4-Personen-Haushaltes im Jahr 2012 Verteilung über Monate mittels synthetischer Lastprofile 3. Schätzung des monatlichen Wärmebedarfs Bundeslandspezifische Heizlastprofile Division der kumulierten Monatswerte durch Anzahl an Brennwertheizungen im Bundesland Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 63
Ergebnis: Nutzung von dezentralem PV-Strom für Wärmebedarf Quelle: Europäische Kommission, HWWI (2014) Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 64
Agenda 1. Marktanalyse Strommärkte: Status Quo und Trends 2. Einzelwirtschaftliche Kosten-Nutzen Analyse 3. Abschätzung gesamtwirtschaftlicher Potenziale 4. Fazit und Handlungsempfehlungen Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 65
Fazit Dezentrale PtH-Hybridheizungen 1 können bei künftigen Modernisierungen von Öl- und Gasheizungen zu relativ geringen Kosten installiert werden. 2 sind mit heutigen Technologien realisierbar und rentabel. 3 haben durch ihre flexible Stromnachfrage ein hohes Potenzial für die Nutzbarmachung von überschüssigem EE-Strom. 4 5 tragen zur Stabilisierung der Netze bei. Aufgrund der räumlichen Nähe der PtH-Hybridheizungen zu den EE-Erzeugungsanlagen gilt dies besonders für die Verteilnetze. führen zu einer Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien im Wärmebereich. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 66
Handlungsempfehlungen Zur Sicherstellung der einzelwirtschaftlichen Rentabilität von PtH-Hybridheizungen sollte 1 die Belastung von PtH-Strompreisen durch Abgaben und Umlagen möglichst gering gehalten werden. 2 eine Senkung der Zugangsbarrieren für PtH- Hybridheizungen am Markt für Regelenergie erfolgen. 3 flexible Strompreise auf Haushaltsebene eingeführt werden. Der Ausbau der Infrastruktur von Informations- und Kommunikationstechnik gefördert werden. Hamburgisches WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Seite 67
Power-to-Heat in der Praxis Erfahrungen aus dem IWO-Feldtest Christian Halper 27.04.2015
Power-to-Heat im Praxistest ein Einfamilienhaus in Berlin 69 www.zukunftsheizen.de/pth
Power-to-Heat im Praxistest ein Einfamilienhaus in Berlin Öl- Brennwertgerät Elektrische Heizeinrichtung Pufferspeicher 5 bis 15 kw modulierend 9 kw, automatische externe Ansteuerung durch Regelenergieanbieter 500 Liter für Heizung und Warmwasser 70 www.zukunftsheizen.de/pth
Heizöl als Basis- und Backup-Energieträger Einbau des neuen Öl-Brennwertkessels 71 www.zukunftsheizen.de/pth
Heizöl als Basis- und Backup-Energieträger Internetanschluss serienmäßig ab Werk 72 www.zukunftsheizen.de/pth
Heizöl als Basis- und Backup-Energieträger Auch via Smartphone & Tablet verbunden 73 www.zukunftsheizen.de/pth
Power-to-Heat im Praxistest - Elektroheizer ist Teil eines virtuellen Kraftwerks Kommunikationsbox Elektroheizer zur Nutzung von Regelenergie 74 www.zukunftsheizen.de/pth
Messtechnische Begleitung: Einsatz von Wärmezählern 75 www.zukunftsheizen.de/pth
PtH-Praxisbeispiel Berlin: Wärmebedarf für Heizung und Trinkwassererwärmung kwh/ Monat 3.000 Wärme für die Trinkwassererwärmung in kwh Wärme für den Heizkreis in kwh 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 3/14 4/14 5/14 6/14 7/14 8/14 9/14 10/14 11/14 12/14 1/15 2/15 76 www.zukunftsheizen.de/pth
PtH-Praxisbeispiel Berlin: Wärmebedarf für Heizung und Trinkwassererwärmung 15.000 Wärme für die Trinkwassererwärmung in kwh Wärme für den Heizkreis in kwh 1.484 (10 %) = 10 kwh/(m²a) 1 Liter/(m²a) 10.000 kwh/ Jahr 5.000 13.243 (90 %) = 88 kwh/(m²a) 9 Liter/(m²a) 0 1.3.14 bis 28.2.15 77 www.zukunftsheizen.de/pth
Wie wurde dieser Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser gedeckt? Real genutzt wurden Heizöl als Basis- und Backup- Energieträger Strom aus dem öffentlichen Stromnetz in Form von Regelenergie 78 www.zukunftsheizen.de/pth
PtH-Praxisbeispiel Berlin: Monatlicher Wärmeverbrauch und PV-Überschüsse kwh/monat 2.500 2.000 1.500 1.000 500 PtH-Berlin: Wärmebedarf für Hzg & WW PtH-Berlin: Ins Stromnetz eingespeister Strom in kwh (= Potenzial für Elektroheizer) 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 79 www.zukunftsheizen.de/pth
Gegenüberstellung & Abgrenzung Wer betrachtet was? HWWI-PtH-Studie Kap. 4.3 PtH-Praxisbeispiel in diesem Vortrag Erlöse aus dem Regelenergiemarkt nur MRL, nur 0-4 Uhr SRL (/MRL), 0-24 Uhr Energiekosteneinsparung aus der Nutzung variabler Strompreise ja nein Ergebnisse aus Studie und Feldtest nicht unmittelbar vergleichbar! 80 www.zukunftsheizen.de/pth
und was hat es gebracht? 81 www.zukunftsheizen.de/pth
PtH-Praxisbeispiel Berlin: Erlöse für Regelenergie & vermiedene Heizölkosten Vermiedene Heizölkosten durch Regelenergienutzung Erlöse Regelenergie 263 197 inkl. MwSt. Summe Aug'14 bis 21.4.15 linear auf 12-Monate hochgerechnet 82 www.zukunftsheizen.de/pth
PtH-Praxisbeispiel Berlin: Heizkosten vermindert um Erlös & Einsparung durch PtH 1.008 /Jahr - 263 /Jahr (- 26 %) inkl. MwSt. 745 /Jahr ohne Power-to-Heat mit Power-to-Heat (Daten Aug'14 bis 21.4.15 linear auf 12-Monate hochgerechnet) 83 www.zukunftsheizen.de/pth
30.03.2015: Sturmtief Mike 84 www.zukunftsheizen.de/pth
30.03.2015: Sturmtief Mike 85 www.zukunftsheizen.de/pth
30.03.2015: Regelenergieaufrufe 30.03. 13:00 Regelenergie an diesem Tag: 30 kwh 86 www.zukunftsheizen.de/pth
30.03.2015: Temperatur im Wärmespeicher C oben mitte unten 85 75 65 55 45 35 Der Elektroheizer nutzt die Regelenergie, um den Wärmespeicher aufzuheizen 25 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00 87 www.zukunftsheizen.de/pth
30.03.2015: Wärme vom Öl-Kessel von 14 bis 20 Uhr ist der Öl-Kessel aus Regelleistungsbereitstellung zur Stromnetz-Stabilisierung bewirkt Heizöleinsparung 88 www.zukunftsheizen.de/pth
Power-to-Heat im Praxistest - weitere Häuser mit Technik ausgestattet 89 www.zukunftsheizen.de/pth
Power-to-Heat im Praxistest eine Doppelhaushälfte in Remscheid Öl- Brennwertgerät Elektrische Heizeinrichtung Pufferspeicher 10 kw in Stufe 1, 15 kw in Stufe 2 10 kw, automatische externe Ansteuerung durch Regelenergieanbieter 500 Liter für Heizung und Warmwasser 90 www.zukunftsheizen.de/pth
Power-to-Heat im Praxistest ein 2-Familienhaus in Bastorf (MV) Öl- Brennwertgerät Elektrische Heizeinrichtung Pufferspeicher Solarthermie 11,5 m² 18 kw in Stufe 1, 27 kw in Stufe 2 13,5 kw, automatische externe Ansteuerung durch Regelenergieanbieter 2x 600 Liter für Heizung und Warmwasser 91 www.zukunftsheizen.de/pth
Fazit Das Konzept der Power-to-Heat-fähigen Ölhybridheizung hat sich im Berliner EFH in der Praxis bewährt einfach und zuverlässig durch Standard-Heiztechnikkomponenten 500 Liter Wärmespeicher harmoniert gut mit 9-kW-Elektroheizer Die Heizkosten können durch die Generierung von Erlösen am Regelenergiemarkt und die dadurch vermiedenen Heizölkosten hochgerechnet um 263 /Jahr (26 %) reduziert werden Die Stabilisierung des Stromnetzes wird aktiv unterstützt 92 www.zukunftsheizen.de/pth
Fazit Zukunftstauglich: PtH-fähige Hybridheizungen sind bereit für mehr Nutzung ansonsten nicht produzierter/abgeregelter Wind- und PV-Strommengen Nutzung eigener PV-Überschüsse (Eigenstromnutzungsquote steigt) Modernisierer, die heute Öl-Brennwerttechnik mit einem geeignetem Wärmespeicher kombinieren können Power-to- Heat auch später ergänzen 93 www.zukunftsheizen.de/pth
Konsequenzen für den Strom- und Wärmemarkt Simon Jastrzab Berlin, 27.04.2015
PtH in Hybridheizungen Chancen für den Wärmemarkt Option, vermehrt EE in den Wärmemarkt zu integrieren Einmalige Investition ermöglicht zunehmend größer werdenden Anteil EE an Wärmebereitstellung Strom wird nur im Angebotsfall genutzt Elektrische Leistung muss nicht gesichert vorgehalten werden 95 www.zukunftsheizen.de
PtH in Hybridheizungen Effiziente Stromnutzung Geringe Transportverluste gewährleisten effiziente Nutzung des Stroms Speicherbarer Energieträger als Back-up-Energie muss stets verfügbar sein 96 www.zukunftsheizen.de
Ölheizung besonders vorteilhaft für die Nutzung von Strom in Hybrid-Heizsystemen Wärmemarkt besitzt großes Potenzial zur Aufnahme von Strom-Überschüssen Ölbeheizte Gebäude häufig mit Keller: Raum für Pufferspeicher vorhanden Ölbeheizte Gebäude in regionaler Nähe zu Windkraftanlagen und Groß-Photovoltaik-Anlagen Leitungsungebundene Energieträger vermeiden Kosten für Netzinfrastruktur 97 www.zukunftsheizen.de
Perspektive PV-Eigenstromerzeugung: PtH wirtschaftlicher als Netzeinspeisung Attraktivität von PV-Eigenstromerzeugung steigt, wenn Wandlung nicht als Elektrizität genutzter Erträge in Wärme wirtschaftlicher ist als Netzeinspeisung 98 www.zukunftsheizen.de
PtH als weiterer Energieträger in Hybridheizungen Potenzial zum Eintritt in Wettbewerb mit vorhandenen Energie-Effizienzmaßnahmen Kostengünstige Technik ermöglicht kurze Amortisationsdauer Sollte zu Erfüllungsoption für Vorgaben zur Nutzung von EE im Wärmemarkt werden 99 www.zukunftsheizen.de
PtH für Heizgerätehersteller vorteilhaft Anreiz zur Heizungsmodernisierung wird durch zusätzlichen Nutzen erhöht Entwicklungsrisiko gering, da Hardware bereits vorhanden Imagestärkung als Vollsortimenter Innovatives Image, da Lösung für aktuelles energiepolitisches Thema angeboten wird 100 www.zukunftsheizen.de
Handlungsempfehlungen an die Politik Welcher Anpassungen bedarf es, um das Potenzial von PtH in Hybridheizungen zu heben? 101 www.zukunftsheizen.de
Dynamische Stromtarife für private Stromkunden einführen Beschleunigte EE-Integration durch Vermeidung von Abregelung PtH-Aktivierung, wenn Wärmeerzeugung durch Strom wirtschaftlicher ist als durch Brennstoffeinsatz Zeiten mit viel Strom: PtH als zusätzlicher Verbraucher stützt in Phasen negativer Strompreise den Börsenpreis Entlastung EEG-Umlage Zeiten mit wenig Strom: Durch Abschalten kann ein Beitrag zur Reduktion gesicherter Kraftwerksleistung geleistet werden 102 www.zukunftsheizen.de
Zugang von PtH-Hybridheizungen zum Markt für Regelenergie erleichtern Präqualifikationsverfahren für PtH-Hybridheizungen vereinfachen Ausschreibungs- und Vorhaltungszeiträume verkürzen 103 www.zukunftsheizen.de
Intelligente Netznutzung vergüten Finanzielle Anreize für Stromnetzbetreiber zur Optimierung der Netzauslastung müssen geschaffen werden Investitionen müssen sich zeitnah refinanzieren lassen 104 www.zukunftsheizen.de
Abgaben und Entgelte für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren Keine Subvention, da Verbraucher entlastet werden Mehr Strom kann produziert und verkauft werden Abgaben können auf mehr kwh verteilt werden spezifische Abgabenlast sinkt Nur für Stromverbraucher, die extern steuerbar sind und auch dauerhaft abgeschaltet werden können 105 www.zukunftsheizen.de
Netznutzungsentgelte für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren Stromnutzung aus ansonsten abgeregelten EE-Anlagen in extern steuerbaren Verbrauchern ist ohne zusätzliche Netzkosten möglich Externe Steuerung erfolgt so, dass Betrieb mit vorhandenen Netzen möglich Durch Nutzung des ansonsten abgeregelten EE-Stroms entstehen zusätzliche Einnahmen aus Netzentgelten 106 www.zukunftsheizen.de
Konzessionsabgabe für ansonsten abgeregelten Strom reduzieren 1. Status quo: Keine Einnahmen für abgeregelten Strom 2. Reduktion der Konzessionsabgabe 3. Erhöhte Attraktivität der Nutzung für Endverbraucher 4. Intensivere Auslastung Stromnetze 5. Erschließung zusätzlicher Konzessionseinnahmen 107 www.zukunftsheizen.de
Reduzierung der EEG-Umlage für ansonsten abgeregelten Strom PtH leistet Beitrag zur Erreichung des EE-Wärmeziels von 14 % bis 2020 (EEWärmeG) durch Erhöhung des EE-Anteils PtH entlastet EEG-Umlage durch Vermeidung von Abregelung Verbraucher erhalten gezahlte EEG-Umlage anteilig zurück ct/kwh 7 6 5 4 3 2 1 0 Entwicklung EEG-Umlage 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Quelle: Umweltinstitut München 108 www.zukunftsheizen.de
Verursachergerechte Zuordnung von Bedarf an gesicherter Leistung Strombedarf ausschließlich strombasierter Heizsysteme kann durch fluktuierende EE nicht kontinuierlich sicher gedeckt werden: Teure Reserve-Kraftwerke werden notwendig Die Kosten dafür sollten verursachergerecht zugeordnet werden Einführung einer leistungsabhängigen monatlichen Grundgebühr für ausschließlich strombasierte Heizsysteme 109 www.zukunftsheizen.de
Bewertung in EnEV ermöglichen Wird erneuerbarer Strom, der ansonsten abgeregelt werden würde, in PtH-fähigen Hybridheizungen genutzt sollte dieser in der EnEV mit einem Primärenergiefaktor von Null bewertet werden. Voraussetzung: Heizsystem kann durch externe Ansteuerung jederzeit und beliebig lange vom strombasierten Heizgerät auf stromunabhängiges Heizgerät wie z. B. einen Brennwertkessel umschalten. 110 www.zukunftsheizen.de
Fazit Die Nutzung von Power-to-Heat in Hybridheizungen ist mit verfügbarer Technik realisierbar hat ein hohes Potenzial EE in den Strommarkt zu integrieren EE-Anteil im Wärmemarkt zu erhöhen Hierfür bedarf es: variabler Stromtarife für Endverbraucher einer Reduktion von Abgaben und Entgelten auf ansonsten abgeregelten Strom Bewertungsmöglichkeit in EnEV 111 www.zukunftsheizen.de
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