Integration Erneuerbarer Energien in das Strom-Wärme-System: KWK, Wärmespeicher, Power to District Heating Beiträge dezentraler Energiesysteme zum Klimaschutz Perspektiven und Technologien Bundesministerium für Umwelt-, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit Berliner Energietage 27.04.2015 Dr. Andreas Schnauß Vattenfall Europe Wärme AG 1 Dr. Andreas Schnauß 2013.11.13
Themen Erneuerbare Energien in der Wärmeversorgung / Status Zusammenwachsen von Strom- und Wärmemarkt - Volatiler Wind- und PV-Strom als Chance für den Wärmemarkt - Zusammenspiel von PV, Wind und KWK und Power to Fernwärme Power to Fernwärme: Wind und PV als zusätzliche erneuerbare Energien in der Fern- Wärmeversorgung 2
Warum tut sich der Wärmemarkt relativ schwer mit Erneuerbaren Energien Wind und Wasser fehlen; Solarthermieprofil entspricht nicht dem Heizungsprofil Strom (25% EE): Wasser, Wind und PV stehen zur Verfügung Wärme (12% EE): Wind Windwärmeturbinen gehen nicht Windstrom zu (Fern)wärme Wasser PV Wasserwärmeturbinen gehen nicht Solar- und Heizungsprofil korrelieren wenig (Solarthermie = 4%) PV-Strom zu (Fern)wärme Biomasse Andere Anteile erneuerbarer Stromerzeugung Biomasse = Haupt EE im Wärmemarkt (ca. 90%) Wärmepumpen 5% Wärmemarkt muss Erneuerbare aus dem Strom nutzen und auf Effizienz der Wärmeerzeugung (= KWK) setzten 3
Wärme: Städte tun sich bei Erneuerbaren in der Wärme relativ schwer Stadt: Wenig Erneuerbare in der Wärme. Solarthermie Biomasse Wärmepumpen Deutschland 12% Städte Berlin Potsdam München Leipzig Dresden Solarthermie + Biomasse/Pellet + Wärmepumpen in der Objektversorgung ohne Fernwärme 1% Anteil EE in der Wärme Grund: Städtische Besonderheiten Solarthermie: Nur begrenztes Dachflächenpotenzial im Vergleich zur Geschossfläche Wärmepumpen: Geringe Bodenflächen im Vergleich zu den Geschossflächen, teilweise Grundwasserprobleme und wenig Flächenheizungen (Fußbodenheizungen) im Gebäudebestand Biomasse: Feinstaubund NOx Problematiken sowie Antransport im städtischen Bereich Konsequenzen für das Potenzial EE-Wärme Relativ geringe Potentiale für Solarthermie Nur eingeschränkte Möglichkeiten für (Erd)wärmepumpen Kleinere Biomasseanlagen (feste Biomasse) erschwert 4
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Volatiler Wind- und PV-Strom als Chance für den Wärmemarkt Strom und Wärme zusammen denken! Verbraucher Last Netzlast, Windenergieprognose und Windenergieeinspeisung in Ost- Deutschland Verläufe im Übertragungsnetz der 50Hertz (01.-31.10.2010) Power [MW] 16.000 14.000 12.000 10.000 Kein oder wenig Wind Wind-Erzeugung > Verbraucherlast Überschüsse von Erneuerbarer Stromproduktion für den Wärmemarkt 8.000 Wind- Einspeisung 6.000 4.000 2.000 0 Quelle: 50Hertz -2.000 Date Heizen aus fossiler Stromerzeugung 1.10. 8.10. 15.10. 22.10. 29.10. hier nicht aus/mit Strom heizen KWK für Strom- und Wärmeerzeugung
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Stunden eines Tages Stunden eines Tages KWK KWK Stunden eines Tages Stunden eines Tages PV PV to DistrictHeat Wind Stunden eines Tages Stunden eines Tages Wind to DistrictHeat Zusammenspiel Strom- und Wärmemarkt mit PV, Wind und KWK und Power to Fernwärme Einspeisung PV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Nachfrage nach Strom (Last) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Nachfrage nach Wärme 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8 21 228 23 24 Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Stromverbrauch Höchstlast PV Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Wärmeverbrauch = KWK- Erzeugungsprofil 130827-Vattenfall-Vortrag-Handelsblatt-V1.pptx Einspeisung Windenergie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Nachfrage nach Strom (Last) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Nachfrage nach Wärme 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Wind Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Höchstlast Stromverbrauch Monate eines Jahres Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Wärmeverbrauch = KWK- Erzeugungsprofil Wind zu Fernwärme
Nutzung der KWK zur Stromerzeugung bei wenig Wind und Sonne Normales Windaufkommen Stromnetz Brennstoff KWK Anlage KWK-Wärme Fernwärme Wärmespeicher Elektro- Kessel
Integration von Erneuerbaren Energien durch Power to Fernwärme und Wärmespeicher Sehr hohes Windaufkommen Stromnetz Freigabe durch Stromnetzbetreiber zum Einsatz des Windheizers statt die Windanlagen abzuregeln Brennstoff KWK Anlage Brennstoff wird gespart (bleibt im Gasnetz oder auf dem Lagerplatz) Primärenergieeinsparung oder indirektes erneuerbares Gas Fernwärme Wärmespeicher Strom Elektro- Kessel Elektro-Wärme
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Power to Fernwärme: Funktionsprinzip und Vorteile Funktionsprinzip Power to Fernwärme mit Strom-Durchlauf-Erhitzer oder/und Wärmepumpen Nutzbarkeit regenerativer Strom-Überschüsse aus Wind und PV in der Fernwärme Vorteile Power to Fernwärme Wind und PV zu (Fern-)Wärme Flexible Einsatzweise sehr gut an regenerativen Überschüssen ausrichtbar Ergänzt sich sehr gut mit KWK: im Gegensatz zu anderen Power to Heat Anwendungen (Wärmepumpen und Nachtspeicherheizungen) besteht kein Zwangseinsatz zu Zeiten ohne EE- Überschüsse Kostengünstigste und sofort verfügbare Technologie für die Aufnahme Erneuerbarer Energien- Überschüsse Direkte Einsparung von Primärenergie Energiespeicherung im Gasnetz bzw. auf dem Lagerplatz Effekte von Power to Fernwärme Bringt Erneuerbare Energien in den städtischen Gebäudebestand Funktioniert mit Wind und PV ( Multi-Erneuerbar ) Ist die moderne Nutzung der Solarenergie in der Wärme: Photovoltaik (aus Berlin aber insbesondere auch aus dem Umland und Bayern) in der Berliner Fernwärmeerzeugung
Das System aus KWK mit Wärmespeicher und Power-to-Fernwärme bietet umfangreiche Flexibilitätsoptionen Strom-Schaltzustände Fahrweise KWK + Wärmespeicher + Power-to-Fernwärme 1. Erzeugen KWK-Stromproduktion: Effiziente und CO2-arme Strom- und Wärmeproduktion Zuverlässige Stromleistung im Winter (ohne PV und Wind) oder bei dunklerer Flaute / Zeiten ohne EE-Überschüsse 2. Regeln/ Neutral 0 Keine Stromeinspeisung: KWK-Strom nicht erforderlich Wärmenutzung aus Wärmespeicher 3. Verbrauchen Erneuerbare Stromnutzung: Nutzung von Überschussstrom aus Wind und Photovoltaik Unendliche Batterie = Gleiche Schaltzustände aber nie leer und nie voll
Power to Fernwärme Überschüsse nutzbar - aber keine Notwendigkeit des Heizens zu Zeiten hoher sonstiger Stromverbräuche und wenig Erneuerbare PV und Wind Normales Heizprofil = Zwangsnutzung von konventionellem Strom Nutzung von Überschussstrom Power to Fernwärme Nein, da KWK Wind und PV Wärmepumpe Ja Wenig PV Nachtstromspeicherheizung Ja Kein PV Power to Fernwärme hat das höchste smarte Potential unter den Power to Heat Alternativen
Smartes System mit Power to Fernwärme 1. Smarte Technik an den richtigen Stellen im Stromnetz/Deutschland: Power to Fernwärme Anlagen sollten insbesondere in den Netz-Regionen mit hohen Anteilen Erneuerbarer Energien aufgebaut werden (z.b. 35%) - dort werden Überschüsse auftreten Fördergelder sollten auf diese Regionen fokussiert werden 2. Smarter-Einsatz/Betrieb durch Koordination/Abstimmung mit den Stromnetzen IT-Einbindung des E-Heizers auf der Stromwarte (ÜNB/VNB) Abgestimmter Einsatz (Anwerfen und Ausschalten) Kommunikation erfolgt bilateral zwischen ÜNB/VNB und Power to Fernwärme Betreiber Überschussnutzung nur für diejenigen E-Heizer, die in dem jeweiligen Netzengpassgebiet liegen 3. Bilanzierung des smarten Einsatzes Bilanzierung/Testat durch Netzbetreiber (kostenpflichtig für PtH Anwender pro Anlagenstandort) Menge des aufgenommenen EE-Überschussstroms pro PtH-Standort
Warum sich Berlin besonders gut für PtFernwärme eignen wird: Viel Erneuerbare im Vergleich zum Stromverbrauch in umliegender Regelzone Nordostdeutschland - Schwerpunkt der Erzeugung Erneuerbarer Energien und gleichzeitig relativ wenig Strom-Verbrauch Leistung [MW] 16.000 Produktion > Last 14.000 12.000 Verbrauch 10.000 8.000 6.000 4.000 Winderzeugung 2.000 0-2.000 1.1 0. 8.10. 15.10. 22.10. 29.10. Übertragungsnetz 50Hertz (1.-31.10.2010) Datum Quelle: Schaufenster Intelligente Energie
50 Hertz Regelzone: Es treten vermehrt Stromnetzengpässe auf, infolge dessen vermehrt Windkraft abgeregelt werden muss Netzengpass
Smarter Einsatz: Innovatives Demand Side Management mit Netzengpassbewirtschaftung mit Power to Fernwärme Netzengpassgebiet (variiert zeitlich und örtlich) Freigabe durch Stromnetzbetreiber zum Einsatz des Windheizers statt die Windanlagen abzuregeln Elektro- Kessel Fernwärme Netzengpass : Strom nicht komplett abführbar Netzengpassbewirtschaftung = (nur) die E-Heizer verwenden die im Netzengpassgebiet des Überschussstroms liegen. So erreicht man einen Smarten Einsatz!
Netzengpassbewirtschaftung = (nur) die E-Heizer verwenden die im Netzengpassgebiet des Überschussstroms liegen z.b. 50 Hertz Regelzone Netzengpassgebiet Elektro- Kessel Fernwärme
GW Power to Heat: Skalenbeispiele am Beispiel Berliner Stromsystem Berliner Stromverbrauchslast während eines Jahres 2,5 Höchstlast ~2400 MW el 2,0 1,5 1,0 0,5 Insgesamt 14,4 TWh/a 0,0 J J F M A M J J A S O N D D Quelle: Zeitreihen von Netzlast, Bezug ÜNB und Netzeinspeisung, VE Distribution Berlin 2011 Mindestlast ~1000 MW el 100 MW Power to Heat erhöht die Stromaufnahme Berlins in Schwachlaststromzeiten (z.b. während nächtlicher Sturmfront) um über 10%! Power to Heat bringt relativ großen zusätzlichen Stromverbrauch (-Leistung) Koordinierung im Engpassgebiet mit und durch ÜNB erforderlich
Innovatives Demand Side Management mit Power to District Heat: So bekommt man viele Haushalte (im städtischen Gebäudebestand) smart Potenzial von Power to Fernwärme Power to Fernwärme Smarte Wärme für Leistung Winter Sommer je 100 MW 30.000 Haushalte 300.000 Haushalte 60.000 Einwohner 600.000 Einwohner Power to Fernwärme bringt Wind und PV in die Haushalte der Städte durch zentrales Demand Side Management Smartes System für viele Haushalte ohne das sich diese in ihrem Verbrauchsverhalten verändern müssen 100 MW Power to Fernwärme entspricht Lastmangement von - ca. 30.000 Wärmepumpen in EFH - ca. 700.000 Kühlschränke
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Ein Vortrag im Rahmen der Die Leitveranstaltung für Energieeffizienz in Deutschland fand in diesem Jahr vom 27. bis zum 29. April 2015 im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt. Weitere Informationen und alle Vortragsunterlagen zu rund 300 Vorträgen aus 52 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner Energietage 2015 finden Sie unter www.berliner-energietage.de Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der Rechteinhaberin erfolgen. 2015 Referent(in) / Veranstalter(in) Diese Seite darf nicht entfernt werden. Für die in diesen Unterlagen bereit gestellten Informationen kann keine Haftung übernommen werden. Den Berliner Energietagen wurden diese Folien durch die Veranstalter(in) / den Referent(inn)en freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt.