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Die Weiterentwicklung der Energiewirtschaft in Baden-
Württemberg bis 2025 unter der Berücksichtigung der
Liefer- und Preissicherheit
Sozialpartnerveranstaltung Chemie, 18.02.2013, Stuttgart
Wolf Fichtner, Karl-Friedrich Ziegahn, Hans-Jörg Bauer




KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and
      Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
National Research Center of the Helmholtz Association            www.kit.edu
Ziel der Studie und Überblick

                Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
              Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
              Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

    AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
         Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                             AP 4 Analyse der möglichen
                            Strombedarfsdeckung bis 2025


                    AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                   Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

             AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
2
Ziel der Studie und Überblick

                Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
              Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
              Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

    AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
         Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                             AP 4 Analyse der möglichen
                            Strombedarfsdeckung bis 2025


                    AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                   Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

             AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
3
Stromversorgung Baden-Württembergs vor
    großen Herausforderungen

          Stromflussbild BW (2009)                      Politische Entwicklungen
                                                     Beschleunigter Ausstieg aus der
                                                     Nutzung der Kernenergie bis 2022
                                                        Abschaltung von zwei Kernreaktoren in
                                                        Baden-Württemberg im Rahmen des
                                                        Atommoratoriums 2011
                                                        Laufzeitende der beiden verbleibenden
                                                        Reaktoren 2019 bzw. 2022
                                                     Verstärkter Ausbau der
                                                     Erneuerbaren Energien auf
                                                     Bundesebene
                                                     Ziele der Landesregierung seit 2011
                                                        u.a. neue Ziele beim Ausbau der
                                                        Erneuerbaren Energien in Baden-
                                                        Württemberg (38 % der Bruttostrom-
                                                        erzeugung bis 2020; 2010: 17 %)

     Baden-Württemberg ist Netto-Stromimporteur
    (Erzeugung in BW < Verbrauch) und Transitland.

4
Entwicklung der Stromerzeugung in
    Baden-Württemberg zwischen 1975 und 2010




5    19.02.2013
Stromerzeugung aus Erneuerbaren
    Energieträgern in BW und D (2010)




6    19.02.2013
Installierte Leistung und Anteil an der geleisteten
    elektrischen Arbeit der Energieträger




                  Installierte     Anteil an der
                   Leistung      Stromerzeugung
7    19.02.2013
Ziel der Studie und Überblick

                Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
              Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
              Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

    AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
         Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                             AP 4 Analyse der möglichen
                            Strombedarfsdeckung bis 2025


                    AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                   Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

             AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
8
Ziele der Energiewende auf Landesebene




     Ziel                                       2020    2030   2040   2050
     Treibhausgas-Reduktion [% ggü. 1990]        30     46     62     80
     Anteil EE am Bruttostromverbrauch [%]      17,3                  85,5
     Anteil EE/WE an Bruttostromerzeugung [%]   38/10
     Reduktion Stromverbrauch [% ggü. 2007]                           28
     KWK-Anteil an der Stromerzeugung [%]        20




9    19.02.2013
Potenziale für Erneuerbare Energien in BW

                                   Technisches       Ziele der         Ziele als         Stromge-
          Technologie               Potenzial    Landesregierung    Prozentsatz des   stehungskosten
                                     (TWh/a)     für 2020 (TWh/a)    Potenzials (%)   2010 (Cent/kWh)

          Wind                         35           6,4 (0,5*)           ≈ 20              8-18
          Photovoltaik, davon:         28            7,0 (2,1)           ≈ 30             16-52
            Freiflächen                3                                                   16-18
            Dachflächen                20                                                  24-26
            Fassadenflächen            5                                                   46-52
          Bioenergie, davon:           6             4,9 (3,4)           ≈ 80              8-35
            Biomasse HKW               3                                                   8-18
            Biogasanlagen              3                                                   9-35
          Geothermie, davon:           17            0,3 (0,0)            ≈2               18-50
            Heißwasseraquifere         1                                                   18-…
            Kristalline Gesteine       16                                                  30-50
          Wasserkraft                5,5-6,0         5,5 (5,1)                             5-20
          *) Klammerwerte entsprechen der Erzeugung im Jahre 2010

       Technische Potenziale der EE ausreichend um Ziele der
       Landesregierung zu erreichen
10
Potenziale der Energieeffizienz in Baden-
     Württemberg in 2025: Randbedingungen
     Definition der Varianten (basierend auf UBA 2009 u.a. vom FhG-ISI)
        Ohne Energieeffizienz: Referenzvariante
            Keine Energieeffizienzinstrumente sowie keine Effekte infolge von Strukturwandel
            Nur Wachstum der Sektoren unterstellt
        Mit Energieeffizienz: autonomer energietechnischer Fortschritt
            Die im Zeitraum 2000-2008 ergriffenen Instrumente werden berücksichtigt und bis 2025
            weitergeführt; Strukturwandel unterstellt
            Potenziale sind betriebswirtschaftlich
        Hohe Energieeffizienz: autonomer energietechnischer Fortschritt
            Massive Einführung weiterer Energieeffizienzinstrumente sowie Subventionen;
            Strukturwandel unterstellt
            Potenziale sind volks- und (durch die Subventionen) betriebswirtschaftlich

     Wachstum in den Sektoren (2005-2025)
        Industrie: Bruttowertschöpfung +47 %
        GHD: Anzahl der Erwerbstätige -3 %
        Haushalte: Anzahle der Haushalte +10 %

11
Potenziale der Energieeffizienz in Baden-
     Württemberg in 2025: Industrie




       In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 3,4 TWh bzw. 6,4 TWh (hohe Energieeffizienz).


12
Potenziale der Energieeffizienz in Baden-
     Württemberg in 2025: GHD




       In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 1,1 TWh bzw. 5,5 TWh (hohe Energieeffizienz).
13
Potenziale der Energieeffizienz in Baden-
     Württemberg in 2025: Haushalte




       In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 3,6 TWh bzw. 5,4 TWh (hohe Energieeffizienz).




14
Ziel der Studie und Überblick

                 Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
               Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
               Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

     AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
          Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                              AP 4 Analyse der möglichen
                             Strombedarfsdeckung bis 2025


                     AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                    Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

              AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
15
Entwicklung des Stromverbrauchs bis 2025

      Basisannahme in Anlehnung an die Ziele der früheren Landesregierung: bis
      2020 konstant, dann leichter Rückgang (-5 %)




16
Potenziale der Energieeffizienz in Baden-
     Württemberg: Potenziale versus Bedarf

      Erforderliche Energieeffizienzpotenziale
        zur Realisierung der Basisannahme


                                                 Notwendige Energieeffizienz-
                                                 potenziale 2025 nach Sektor




17
Ziel der Studie und Überblick

                 Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
               Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
               Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

     AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
          Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                              AP 4 Analyse der möglichen
                             Strombedarfsdeckung bis 2025


                     AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                    Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

              AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
18
Rückgang der bestehenden Kraftwerksleistung
     in Baden-Württemberg bis 2025

                      Inbetriebnahme von
                                                                  Ausstieg aus der
                       RDK 8 und GKM 9
                                                                 Kernenergienutzung




                                                                              ca. 4,3 GW




       Entwicklung des aktuellen Kraftwerksparks einschließlich aktuell geplanter und sehr
       wahrscheinlich realisierter Projekte (z. B. RDK 8, GKM 9)

19
Möglicher Lastverlauf Januar 2025

               max. Lücke von
                 ca. 1,5 GW


                                                              Pumpspeicher und
                                                              2010 maximal genutzte
                                                              Importleistung
                                                              vier neue GuD-KW
                                                              und KWK-Anlagen zur
                                                              Energiedeckung im
                                                              Basisszenario




                    Unterstellter Ausbau zur Energiedeckung nicht
                ausreichend zur Deckung von extremen Lastsituationen

20
Lastdeckung in einer Extremsituation 2025

                                                          mögliche Alternativen zur Deckung der
                                                                                                     [GW]
                                                          Leistungslücke im Jahr 2025
                                                          (1) Deckung durch Importe
                                                          verbleibende Importleistung                ≈ 2,6


                                                          (2) Deckung durch neue Speicher
                                                          Pumpspeicherkraftwerke (aktuell in
                                                                                                     ≈ 0,7
                                                          Planung: Atdorf, Forbach, Blautal)
                                                          alternative Speicherlösungen (z. B.
                                                          Druckluftspeicher)


                                                          (3) Deckung durch neue
                                                          Stromerzeugungsanlagen
                                                          z. B. vier weitere GuD-Kraftwerke          1,6


                                                          (4) Zusätzliche Lastreduktion
                                                          kurzfristige Lastverschiebung (DSM)        ≈ 0,2
        Extremsituation := maximale Last                  langfristige Lastreduktion durch weitere
          ./. minimale EE-Einspeisung                     Energieeinsparungen



                            Maßnahmen zur Lastdeckung in Baden-Württemberg
                             notwendig – verschiedene Optionen zur Verfügung

21
Gegenüberstellung der Szenarien zur
        Strombedarfsdeckung bis 2025

                        Rahmenbedingungen: Atomausstieg, Ausbau der Erneuerbaren Energien

                            Basisszenarium                             Alternativszenarium

                     trotz Reduktion des Stromverbrauchs EE nicht ausreichend zur Bedarfsdeckung
Energiedeckung




                 Konstante Importmenge gegenüber 2010         Verdopplung der Importe bis 2025
                  Zubau von Erzeugungsanlagen                 netztechnisch theoretisch möglich
                   (z. B. Klein-KWK, GuD)                      ständige Verfügbarkeit zu sichern

                 Investitionen: ca. 31 Mrd. Euro*             Investitionen: ca. 19 Mrd. Euro*
EE
Lastdeckung




                  Sicherstellung Lastdeckung in extremen Situationen durch weitere Maßnahmen:
                  Erhöhung der Importe, neue Speicher, kurzfristige Lastverschiebung, Energieeffizienz,
                                        zusätzliche flexible Erzeugungsanlagen
Hindernisse




                 Ausbaugeschwindigkeit der Windkraft          Versorgungssicherheit in
                 zu ambitioniert (Ausweisung von Stand-       Extremsituationen sehr kritisch
                 orten, Genehmigung, Planung, …)              (Zubaupläne anderer Bundesländer!)
* nach heutigem Stand der Technik

22
Betrachtung der Wirtschaftlichkeit


                                Bestandteile des Strompreises




      Entwicklung der Brennstoff- und CO2-Preise sowie der Ausbau der EE und des Netzes
      werden Kosten für Beschaffung, Netznutzungsentgelte und EEG-Umlage beeinflussen

23
Beschaffung – Modell am KIT zur Analyse der
     gesamtdeutschen Entwicklung (PERSEUS)

     Abbildung des Elektrizitätssystems
       441 Netzknotenpunkte (Einspeise- und
       Entnahmeorte)  Nodalpreise
       560 Leitungen als Verbindung der
       Knotenpunkte


     Räumliche Systemgrenzen
       Deutschland
       Nachbarländer: Vorgabe der Leistungen
       und Flüsse (bzw. Modellkopplung)


     Modellergebnisse
       Entwicklung des Großhandelspreises
       Zonen mit verschiedenen Preisen
       …
24
Beschaffung – Modellergebnisse und Vergleich




       deutschlandweiter Großhandelspreis für Strom
       steigende Brennstoff- (Kohle, Gas) und CO2-Preise in den kommenden Jahren zu erwarten
       .Modellannahmen          2007 2025
        Gas [Cent2007/kWhtherm] 2,18 4,02             Deutlicher Anstieg des
        CO2 [EUR2007/tCO2]      8,0  33,0     Großhandelspreises für Strom bis 2025

25
Energiewirtschaftliche Entwicklungen 2003 - 2012




                                    Quelle: Öko-Institut 2012: Energiewende-Kosten-Index

26    19.02.2013
EEG-Umlage – Entwicklung (Studienüberblick)


                                      5,3




       deutschlandweit einheitliche EEG-Umlage
       Vielzahl von Einflussfaktoren auf künftige Entwicklung: Ausbau der Erneuerbaren Energien,
       Entwicklung der Vergütungssätze, alternative Vermarktungsmöglichkeiten für EE-Strom,
       Großhandelspreis, Befreiung von Umlage (privilegierter Letztverbrauch), …
               Mittelfristig weiterer Anstieg der EEG-Umlage – langfristig Rückgang
                aufgrund sinkender Vergütungssätze und steigender Börsenpreise

27
Netznutzungsentgelte

       Regionale Unterschiede bei Netznutzungsentgelten (heute: Entgelte
       in BW geringfügig unter Bundesdurchschnitt)
       Künftiger Ausbaubedarf in Übertragungs- und Verteilnetzen führt zu
       steigenden Netznutzungsentgelte durch Umlage der notwendigen
       Investitionen
          mehrere Studien für Übertragungsnetze veröffentlicht (z. B. dena-Netzstudie II:
          Investitionsbedarf von rund 1,0-1,5 Mrd. Euro/a bis 2020)
          bisher kaum Untersuchungen hinsichtlich Ausbaubedarf in Verteilnetzen
              BDEW: Investition je nach EE-Ausbau rund 10-13 Mrd. Euro bzw. 21-27 Mrd. Euro bis 2020
              dena-Verteilnetzstudie gerade in Erarbeitung
          keine gesonderten Analysen für Baden-Württemberg

       verschiedene Projekte am KIT zu Herausforderungen im Netzbereich
       (z. B. im Rahmen des MeRegio-Projekts)

         Steigende Netznutzungsentgelte zu erwarten – weiterer Untersuchungsbedarf


28
Zukünftiges Marktdesign
     Stärkere Einbindung Erneuerbarer Energien in den Markt
     Zur Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit Erschließung nachfrage-
     seitiger Elastizitäten und (mittelfristig) Einführung eines
     Kapazitätsmarkts als „second best Solution“
        Die Ausgestaltung eines Kapazitätsmarkts erfordert genaue Analysen, da dies einen
        weiteren Markteingriff darstellt.

     Bestätigen die Netzentwicklungspläne Bedarf an Kraftwerksleistungen
     in bestimmten Regionen sind regionale Allokationsanreize
     einzuführen.
     Keine Aufspaltung in mehrere Marktgebiete wegen geringerer
     Marktliquidität und Belastung von Verbrauchern in Hochpreiszonen
     Steuerung stark dezentraler Systeme mittels Anreizen komplexe
     Herausforderung
     Neue Mechanismen zur Aufteilung weiterhin bestehender Lasten
     (bspw. für Netzvorhaltung) in gerechter Art und Weise.
29
Ziel der Studie und Überblick

                 Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen
               Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der
               Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025

     AP 1 Analyse des Ist-    AP 3 Kosten und Potenziale          AP 2 Entwicklung
          Zustands            von Investitionsalternativen          Strombedarf



                              AP 4 Analyse der möglichen
                             Strombedarfsdeckung bis 2025


                     AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und
                    Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg

              AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht
30
Konsequenzen


      Steigerung der Energieeffizienz und damit eine Ausnutzung der
      Energieeinsparpotenziale ist Voraussetzung, um die Deckung
      des angenommenen Bedarfs im Jahr 2025 sicherzustellen
      Ausbau der EE-Anlagen erfolgt parallel zu den aus Redundanz
      weiterhin vorhandenen konventionellen Produktionskapazitäten
      Deren Produktivität wird durch kürzere Einsatzzeiten geplant
      reduziert  steigende Stromproduktionskosten vorhersehbar
      Modellrechnung des KIT: Anstieg des Stromgroßhandelspreises
      bis 2025 um ca. 70 %
         Dämpfende Wirkung des Merit-Order Prinzips auf Preise
         Marktanreize zur Kapazitätsvorhaltung fehlen derzeit




31
Konsequenzen

      Steigerung der Stromproduktivität
      Ausbau bzw. Ertüchtigung der Verteilnetze, in erster
      Linie in ländlichen Regionen; Kopplung mit den
      Übertragungsnetzen sowie deren intelligente Regelung
      Neue Technologien erforderlich: Stärkung von
      Forschung und Entwicklung (FuE) im Land




32
Konsequenzen:
     Nachfragesteuerung

       Begrenzung des Spitzenbedarfs zum Schutz der Netze mit
       Anreizen oder Verordnungen zur Lastverlagerung
       Nachfragesteuerung bedeutet die Anpassung des aktuellen
       Stromverbrauchs an eine schwankende Stromproduktion
       Es gibt Produktionsprozesse mit anpassbarem Energiebedarf
       Finanzielle Anreize sind essentielles Element der
       Nachfragesteuerung
       Lastabwurf-VO ist ein administrativer Eingriff und
       problematisch für energierelevante und zeitkritische
       Produktionsprozesse
       Wirtschaft braucht klare Rahmenbedingungen zur
       Nachfragesteuerung
       Baden-Württemberg braucht die Entwicklung von effizienten
       Instrumenten zur Nachfragesteuerung


33
Konsequenzen:
     Energieeffizienz

      Praktische Umsetzung der Effizienzziele entlang der ganzen Strecke
      bearbeiten:
         Effizienz der Energiewandlungsprozesse
         Effizienz der Verteilung und Speicherung
         Effizienz der Nutzung in industriellen Prozessen, im Konsum und im
         Bauwesen
      Industrielle Produktion, Gewerbe, Handel:
      Betrieb von Maschinen und Anlagen bedingt Erhitzen, Kühlen,
      Prozeßwärme, Antriebstechnik (E-Motoren), Medien (Druckluft)
      Technische Potenziale sind ausreichend vorhanden



34
Konsequenzen:
     Energieeffizienz

      Zunehmende Energieeffizienz und demographische Faktoren
      verringern Stromverbrauch
      Neue Anwendungen und Lebensformen steigern den Stromverbrauch:
      Zahl der Einzelhaushalte nimmt zu, Elektromobilität, (gewollter) Einsatz
      von Wärmepumpen, Klimatisierung, neue Geräte im IuK-Bereich
      Freiwillige Energie-Effizienzmaßnahmen wurden in der Wirtschaft dort
      erfolgreich eingeführt, wo sie einen offensichtlichen Return erbringen
      Druck auf Unternehmen und Verbraucher wächst, mehr zu tun: als
      Chancen begreifen und nutzen
      finanzielle Anreize beim Verbrauch unzureichend, gesetzliche
      Vorgaben zu erwarten



35
Konsequenzen:
     Die Chemische Industrie als Teil der Lösung

      Beiträge durch Innovationen, Beispiele mit hohem F&E Bezug:

      Energieeffizienz: Produkte, Prozesskette der Produktion
      Energiespeicher: Speicher für kurze und lange Zeitskalen
      Erneuerbare Energien: Biokraftstoffe

      KIC InnoEnergy:
      http://www.kic-innoenergy.com/colocations/cc-germany/




36
Konsequenzen:
     Die Chemische Industrie als Teil der Lösung
     Umsatzrendite vs. Kosteneinsparung durch Energieeffizienz
     Bei einer        entspricht eine         einer
     Umsatzrendite    Reduzierung der         Umsatzsteigerung von
     von …            Energiekosten um …      …
           2%               100.000 €/a            5.000.000 €/a
           5%               100.000 €/a            2.000.000 €/a
           10 %             100.000 €/a            1.000.000 €/a

     Branchen                                     Umsatzrendite
     Glas, Keramik, Kunststoffwaren                     2–3%
     Fahrzeugbau, Elektrotechnik                        5–6%
     Metallerzeugung, Maschinenbau                    10 – 11 %
     Chemische Industrie                              13 – 14 %
                                                 Quelle: H. Bradtke, Fraunhofer ISI

37
Die Chemische Industrie als Teil der Lösung
     Beispiel 1: Zementproduktion

                                                                               Anteil der weltweiten
                                 Portland Zement (OPC)
                                                                                 CO2 Emissionen
                          Kalkstein:      1200 kg
                                                      Emission von *
                          Sand:            100 kg
                                                        907 kg
                          Ton:             190 kg                             Zement
                                                                                                       6.5
 Produktion von                                           CO2                 Produktion
                          Eisenerz:         30 kg
       1t
     Zement                                                                   Chemische
                                                                              Industrie         5.3


                                                                              Eisen und
                                                                                               5.2
                                         Celitement                           Stahlindustrie

                          Kalkstein:       380 kg   Emission von *
                          Sand:            690 kg weniger als 483 kg          Luft-
                                                                              verkehr   2.2
                          Wasser:          100 kg        CO2

                          → Energieverbrauch nahezu halbiert

     * Aus Rohmaterial, thermischer und elektrischer Energie, deutscher Energiemix
38
Die Chemische Industrie als Teil der Lösung
     Beispiel 2: Langzeitspeicher – Power to Gas
            Asynchrone Fluktuation von Stromerzeugung und Bedarf
            Zeitskalen: Minuten/Stunden – Tage/Wochen                   Quelle:
                                                                        David Colomar,
            Methanisierung von regenerativ erzeugtem H2, Einspeisung in Ute Karl, EIfER
            Erdgasnetz als Langzeitspeicher
      Prozesseffizienz




                                                                                GuD
                                                                         36     Kombi-KW
                                                                                     60%


                                                                        Strom

39
Die Chemische Industrie als Teil der Lösung
     Beispiel 3: Biokraftstoffe - bioliq®
                             bioSyncrude            O2 (Steam)
                                                                      Gas cleaning and conditioning
       Biomass




                                   High pressure
                                   entrained flow
                                     gasification
                                                             Filter       Sorption    Catalyst      CO2 and water
                                                                                                     separation

                   Pre-treatment                                                Syngas

                                                      Slag



                                                         Synfuel
                 Fast pyrolysis
                                                                                  Fuel               DME
                                                                                synthesis          synthesis
                              bioSyncrude

                              De-central                                                    Centralized


40
Zusammenfassung


        Große Herausforderungen bei der Umsetzung der Ziele
        der Energiewende in Baden-Württemberg
        Risiken identifizieren und durch professionelles
        Risikomanagement einschränken
        Chancen, die sich für die Chemieindustrie in BW eröffnen
        erkennen und konsequent nutzen
        Schlüssel zum Erfolg: F&E gestützt durch wissenschaftlich
        fundierte Energiesystemanalyse




41    19.02.2013
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



KIT-ZENTRUM ENERGIE




KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft   www.kit.edu

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  • 1. Die Weiterentwicklung der Energiewirtschaft in Baden- Württemberg bis 2025 unter der Berücksichtigung der Liefer- und Preissicherheit Sozialpartnerveranstaltung Chemie, 18.02.2013, Stuttgart Wolf Fichtner, Karl-Friedrich Ziegahn, Hans-Jörg Bauer KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu
  • 2. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 2
  • 3. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 3
  • 4. Stromversorgung Baden-Württembergs vor großen Herausforderungen Stromflussbild BW (2009) Politische Entwicklungen Beschleunigter Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie bis 2022 Abschaltung von zwei Kernreaktoren in Baden-Württemberg im Rahmen des Atommoratoriums 2011 Laufzeitende der beiden verbleibenden Reaktoren 2019 bzw. 2022 Verstärkter Ausbau der Erneuerbaren Energien auf Bundesebene Ziele der Landesregierung seit 2011 u.a. neue Ziele beim Ausbau der Erneuerbaren Energien in Baden- Württemberg (38 % der Bruttostrom- erzeugung bis 2020; 2010: 17 %)  Baden-Württemberg ist Netto-Stromimporteur (Erzeugung in BW < Verbrauch) und Transitland. 4
  • 5. Entwicklung der Stromerzeugung in Baden-Württemberg zwischen 1975 und 2010 5 19.02.2013
  • 6. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energieträgern in BW und D (2010) 6 19.02.2013
  • 7. Installierte Leistung und Anteil an der geleisteten elektrischen Arbeit der Energieträger Installierte Anteil an der Leistung Stromerzeugung 7 19.02.2013
  • 8. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 8
  • 9. Ziele der Energiewende auf Landesebene Ziel 2020 2030 2040 2050 Treibhausgas-Reduktion [% ggü. 1990] 30 46 62 80 Anteil EE am Bruttostromverbrauch [%] 17,3 85,5 Anteil EE/WE an Bruttostromerzeugung [%] 38/10 Reduktion Stromverbrauch [% ggü. 2007] 28 KWK-Anteil an der Stromerzeugung [%] 20 9 19.02.2013
  • 10. Potenziale für Erneuerbare Energien in BW Technisches Ziele der Ziele als Stromge- Technologie Potenzial Landesregierung Prozentsatz des stehungskosten (TWh/a) für 2020 (TWh/a) Potenzials (%) 2010 (Cent/kWh) Wind 35 6,4 (0,5*) ≈ 20 8-18 Photovoltaik, davon: 28 7,0 (2,1) ≈ 30 16-52 Freiflächen 3 16-18 Dachflächen 20 24-26 Fassadenflächen 5 46-52 Bioenergie, davon: 6 4,9 (3,4) ≈ 80 8-35 Biomasse HKW 3 8-18 Biogasanlagen 3 9-35 Geothermie, davon: 17 0,3 (0,0) ≈2 18-50 Heißwasseraquifere 1 18-… Kristalline Gesteine 16 30-50 Wasserkraft 5,5-6,0 5,5 (5,1) 5-20 *) Klammerwerte entsprechen der Erzeugung im Jahre 2010 Technische Potenziale der EE ausreichend um Ziele der Landesregierung zu erreichen 10
  • 11. Potenziale der Energieeffizienz in Baden- Württemberg in 2025: Randbedingungen Definition der Varianten (basierend auf UBA 2009 u.a. vom FhG-ISI) Ohne Energieeffizienz: Referenzvariante Keine Energieeffizienzinstrumente sowie keine Effekte infolge von Strukturwandel Nur Wachstum der Sektoren unterstellt Mit Energieeffizienz: autonomer energietechnischer Fortschritt Die im Zeitraum 2000-2008 ergriffenen Instrumente werden berücksichtigt und bis 2025 weitergeführt; Strukturwandel unterstellt Potenziale sind betriebswirtschaftlich Hohe Energieeffizienz: autonomer energietechnischer Fortschritt Massive Einführung weiterer Energieeffizienzinstrumente sowie Subventionen; Strukturwandel unterstellt Potenziale sind volks- und (durch die Subventionen) betriebswirtschaftlich Wachstum in den Sektoren (2005-2025) Industrie: Bruttowertschöpfung +47 % GHD: Anzahl der Erwerbstätige -3 % Haushalte: Anzahle der Haushalte +10 % 11
  • 12. Potenziale der Energieeffizienz in Baden- Württemberg in 2025: Industrie In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 3,4 TWh bzw. 6,4 TWh (hohe Energieeffizienz). 12
  • 13. Potenziale der Energieeffizienz in Baden- Württemberg in 2025: GHD In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 1,1 TWh bzw. 5,5 TWh (hohe Energieeffizienz). 13
  • 14. Potenziale der Energieeffizienz in Baden- Württemberg in 2025: Haushalte In Summe in 2025 ein Einsparpotenzial von 3,6 TWh bzw. 5,4 TWh (hohe Energieeffizienz). 14
  • 15. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 15
  • 16. Entwicklung des Stromverbrauchs bis 2025 Basisannahme in Anlehnung an die Ziele der früheren Landesregierung: bis 2020 konstant, dann leichter Rückgang (-5 %) 16
  • 17. Potenziale der Energieeffizienz in Baden- Württemberg: Potenziale versus Bedarf Erforderliche Energieeffizienzpotenziale zur Realisierung der Basisannahme Notwendige Energieeffizienz- potenziale 2025 nach Sektor 17
  • 18. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 18
  • 19. Rückgang der bestehenden Kraftwerksleistung in Baden-Württemberg bis 2025 Inbetriebnahme von Ausstieg aus der RDK 8 und GKM 9 Kernenergienutzung ca. 4,3 GW Entwicklung des aktuellen Kraftwerksparks einschließlich aktuell geplanter und sehr wahrscheinlich realisierter Projekte (z. B. RDK 8, GKM 9) 19
  • 20. Möglicher Lastverlauf Januar 2025 max. Lücke von ca. 1,5 GW Pumpspeicher und 2010 maximal genutzte Importleistung vier neue GuD-KW und KWK-Anlagen zur Energiedeckung im Basisszenario Unterstellter Ausbau zur Energiedeckung nicht ausreichend zur Deckung von extremen Lastsituationen 20
  • 21. Lastdeckung in einer Extremsituation 2025 mögliche Alternativen zur Deckung der [GW] Leistungslücke im Jahr 2025 (1) Deckung durch Importe verbleibende Importleistung ≈ 2,6 (2) Deckung durch neue Speicher Pumpspeicherkraftwerke (aktuell in ≈ 0,7 Planung: Atdorf, Forbach, Blautal) alternative Speicherlösungen (z. B. Druckluftspeicher) (3) Deckung durch neue Stromerzeugungsanlagen z. B. vier weitere GuD-Kraftwerke 1,6 (4) Zusätzliche Lastreduktion kurzfristige Lastverschiebung (DSM) ≈ 0,2 Extremsituation := maximale Last langfristige Lastreduktion durch weitere ./. minimale EE-Einspeisung Energieeinsparungen Maßnahmen zur Lastdeckung in Baden-Württemberg notwendig – verschiedene Optionen zur Verfügung 21
  • 22. Gegenüberstellung der Szenarien zur Strombedarfsdeckung bis 2025 Rahmenbedingungen: Atomausstieg, Ausbau der Erneuerbaren Energien Basisszenarium Alternativszenarium trotz Reduktion des Stromverbrauchs EE nicht ausreichend zur Bedarfsdeckung Energiedeckung Konstante Importmenge gegenüber 2010 Verdopplung der Importe bis 2025  Zubau von Erzeugungsanlagen  netztechnisch theoretisch möglich (z. B. Klein-KWK, GuD)  ständige Verfügbarkeit zu sichern Investitionen: ca. 31 Mrd. Euro* Investitionen: ca. 19 Mrd. Euro* EE Lastdeckung Sicherstellung Lastdeckung in extremen Situationen durch weitere Maßnahmen: Erhöhung der Importe, neue Speicher, kurzfristige Lastverschiebung, Energieeffizienz, zusätzliche flexible Erzeugungsanlagen Hindernisse Ausbaugeschwindigkeit der Windkraft Versorgungssicherheit in zu ambitioniert (Ausweisung von Stand- Extremsituationen sehr kritisch orten, Genehmigung, Planung, …) (Zubaupläne anderer Bundesländer!) * nach heutigem Stand der Technik 22
  • 23. Betrachtung der Wirtschaftlichkeit Bestandteile des Strompreises Entwicklung der Brennstoff- und CO2-Preise sowie der Ausbau der EE und des Netzes werden Kosten für Beschaffung, Netznutzungsentgelte und EEG-Umlage beeinflussen 23
  • 24. Beschaffung – Modell am KIT zur Analyse der gesamtdeutschen Entwicklung (PERSEUS) Abbildung des Elektrizitätssystems 441 Netzknotenpunkte (Einspeise- und Entnahmeorte)  Nodalpreise 560 Leitungen als Verbindung der Knotenpunkte Räumliche Systemgrenzen Deutschland Nachbarländer: Vorgabe der Leistungen und Flüsse (bzw. Modellkopplung) Modellergebnisse Entwicklung des Großhandelspreises Zonen mit verschiedenen Preisen … 24
  • 25. Beschaffung – Modellergebnisse und Vergleich deutschlandweiter Großhandelspreis für Strom steigende Brennstoff- (Kohle, Gas) und CO2-Preise in den kommenden Jahren zu erwarten .Modellannahmen 2007 2025 Gas [Cent2007/kWhtherm] 2,18 4,02 Deutlicher Anstieg des CO2 [EUR2007/tCO2] 8,0 33,0 Großhandelspreises für Strom bis 2025 25
  • 26. Energiewirtschaftliche Entwicklungen 2003 - 2012 Quelle: Öko-Institut 2012: Energiewende-Kosten-Index 26 19.02.2013
  • 27. EEG-Umlage – Entwicklung (Studienüberblick) 5,3 deutschlandweit einheitliche EEG-Umlage Vielzahl von Einflussfaktoren auf künftige Entwicklung: Ausbau der Erneuerbaren Energien, Entwicklung der Vergütungssätze, alternative Vermarktungsmöglichkeiten für EE-Strom, Großhandelspreis, Befreiung von Umlage (privilegierter Letztverbrauch), … Mittelfristig weiterer Anstieg der EEG-Umlage – langfristig Rückgang aufgrund sinkender Vergütungssätze und steigender Börsenpreise 27
  • 28. Netznutzungsentgelte Regionale Unterschiede bei Netznutzungsentgelten (heute: Entgelte in BW geringfügig unter Bundesdurchschnitt) Künftiger Ausbaubedarf in Übertragungs- und Verteilnetzen führt zu steigenden Netznutzungsentgelte durch Umlage der notwendigen Investitionen mehrere Studien für Übertragungsnetze veröffentlicht (z. B. dena-Netzstudie II: Investitionsbedarf von rund 1,0-1,5 Mrd. Euro/a bis 2020) bisher kaum Untersuchungen hinsichtlich Ausbaubedarf in Verteilnetzen BDEW: Investition je nach EE-Ausbau rund 10-13 Mrd. Euro bzw. 21-27 Mrd. Euro bis 2020 dena-Verteilnetzstudie gerade in Erarbeitung keine gesonderten Analysen für Baden-Württemberg verschiedene Projekte am KIT zu Herausforderungen im Netzbereich (z. B. im Rahmen des MeRegio-Projekts) Steigende Netznutzungsentgelte zu erwarten – weiterer Untersuchungsbedarf 28
  • 29. Zukünftiges Marktdesign Stärkere Einbindung Erneuerbarer Energien in den Markt Zur Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit Erschließung nachfrage- seitiger Elastizitäten und (mittelfristig) Einführung eines Kapazitätsmarkts als „second best Solution“ Die Ausgestaltung eines Kapazitätsmarkts erfordert genaue Analysen, da dies einen weiteren Markteingriff darstellt. Bestätigen die Netzentwicklungspläne Bedarf an Kraftwerksleistungen in bestimmten Regionen sind regionale Allokationsanreize einzuführen. Keine Aufspaltung in mehrere Marktgebiete wegen geringerer Marktliquidität und Belastung von Verbrauchern in Hochpreiszonen Steuerung stark dezentraler Systeme mittels Anreizen komplexe Herausforderung Neue Mechanismen zur Aufteilung weiterhin bestehender Lasten (bspw. für Netzvorhaltung) in gerechter Art und Weise. 29
  • 30. Ziel der Studie und Überblick Ziel: Identifikation der - unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen - zu erwartenden Entwicklungen in der Energiewirtschaft in Baden-Württemberg bis zum Jahre 2025 AP 1 Analyse des Ist- AP 3 Kosten und Potenziale AP 2 Entwicklung Zustands von Investitionsalternativen Strombedarf AP 4 Analyse der möglichen Strombedarfsdeckung bis 2025 AP 5 Anforderungen an die Energiepolitik und Chancen für die Wirtschaft in Baden-Württemberg AP 6 Projektkoordination, Öffentlichkeitsarbeit und Endbericht 30
  • 31. Konsequenzen Steigerung der Energieeffizienz und damit eine Ausnutzung der Energieeinsparpotenziale ist Voraussetzung, um die Deckung des angenommenen Bedarfs im Jahr 2025 sicherzustellen Ausbau der EE-Anlagen erfolgt parallel zu den aus Redundanz weiterhin vorhandenen konventionellen Produktionskapazitäten Deren Produktivität wird durch kürzere Einsatzzeiten geplant reduziert  steigende Stromproduktionskosten vorhersehbar Modellrechnung des KIT: Anstieg des Stromgroßhandelspreises bis 2025 um ca. 70 % Dämpfende Wirkung des Merit-Order Prinzips auf Preise Marktanreize zur Kapazitätsvorhaltung fehlen derzeit 31
  • 32. Konsequenzen Steigerung der Stromproduktivität Ausbau bzw. Ertüchtigung der Verteilnetze, in erster Linie in ländlichen Regionen; Kopplung mit den Übertragungsnetzen sowie deren intelligente Regelung Neue Technologien erforderlich: Stärkung von Forschung und Entwicklung (FuE) im Land 32
  • 33. Konsequenzen: Nachfragesteuerung Begrenzung des Spitzenbedarfs zum Schutz der Netze mit Anreizen oder Verordnungen zur Lastverlagerung Nachfragesteuerung bedeutet die Anpassung des aktuellen Stromverbrauchs an eine schwankende Stromproduktion Es gibt Produktionsprozesse mit anpassbarem Energiebedarf Finanzielle Anreize sind essentielles Element der Nachfragesteuerung Lastabwurf-VO ist ein administrativer Eingriff und problematisch für energierelevante und zeitkritische Produktionsprozesse Wirtschaft braucht klare Rahmenbedingungen zur Nachfragesteuerung Baden-Württemberg braucht die Entwicklung von effizienten Instrumenten zur Nachfragesteuerung 33
  • 34. Konsequenzen: Energieeffizienz Praktische Umsetzung der Effizienzziele entlang der ganzen Strecke bearbeiten: Effizienz der Energiewandlungsprozesse Effizienz der Verteilung und Speicherung Effizienz der Nutzung in industriellen Prozessen, im Konsum und im Bauwesen Industrielle Produktion, Gewerbe, Handel: Betrieb von Maschinen und Anlagen bedingt Erhitzen, Kühlen, Prozeßwärme, Antriebstechnik (E-Motoren), Medien (Druckluft) Technische Potenziale sind ausreichend vorhanden 34
  • 35. Konsequenzen: Energieeffizienz Zunehmende Energieeffizienz und demographische Faktoren verringern Stromverbrauch Neue Anwendungen und Lebensformen steigern den Stromverbrauch: Zahl der Einzelhaushalte nimmt zu, Elektromobilität, (gewollter) Einsatz von Wärmepumpen, Klimatisierung, neue Geräte im IuK-Bereich Freiwillige Energie-Effizienzmaßnahmen wurden in der Wirtschaft dort erfolgreich eingeführt, wo sie einen offensichtlichen Return erbringen Druck auf Unternehmen und Verbraucher wächst, mehr zu tun: als Chancen begreifen und nutzen finanzielle Anreize beim Verbrauch unzureichend, gesetzliche Vorgaben zu erwarten 35
  • 36. Konsequenzen: Die Chemische Industrie als Teil der Lösung Beiträge durch Innovationen, Beispiele mit hohem F&E Bezug: Energieeffizienz: Produkte, Prozesskette der Produktion Energiespeicher: Speicher für kurze und lange Zeitskalen Erneuerbare Energien: Biokraftstoffe KIC InnoEnergy: http://www.kic-innoenergy.com/colocations/cc-germany/ 36
  • 37. Konsequenzen: Die Chemische Industrie als Teil der Lösung Umsatzrendite vs. Kosteneinsparung durch Energieeffizienz Bei einer entspricht eine einer Umsatzrendite Reduzierung der Umsatzsteigerung von von … Energiekosten um … … 2% 100.000 €/a 5.000.000 €/a 5% 100.000 €/a 2.000.000 €/a 10 % 100.000 €/a 1.000.000 €/a Branchen Umsatzrendite Glas, Keramik, Kunststoffwaren 2–3% Fahrzeugbau, Elektrotechnik 5–6% Metallerzeugung, Maschinenbau 10 – 11 % Chemische Industrie 13 – 14 % Quelle: H. Bradtke, Fraunhofer ISI 37
  • 38. Die Chemische Industrie als Teil der Lösung Beispiel 1: Zementproduktion Anteil der weltweiten Portland Zement (OPC) CO2 Emissionen Kalkstein: 1200 kg Emission von * Sand: 100 kg 907 kg Ton: 190 kg Zement 6.5 Produktion von CO2 Produktion Eisenerz: 30 kg 1t Zement Chemische Industrie 5.3 Eisen und 5.2 Celitement Stahlindustrie Kalkstein: 380 kg Emission von * Sand: 690 kg weniger als 483 kg Luft- verkehr 2.2 Wasser: 100 kg CO2 → Energieverbrauch nahezu halbiert * Aus Rohmaterial, thermischer und elektrischer Energie, deutscher Energiemix 38
  • 39. Die Chemische Industrie als Teil der Lösung Beispiel 2: Langzeitspeicher – Power to Gas Asynchrone Fluktuation von Stromerzeugung und Bedarf Zeitskalen: Minuten/Stunden – Tage/Wochen Quelle: David Colomar, Methanisierung von regenerativ erzeugtem H2, Einspeisung in Ute Karl, EIfER Erdgasnetz als Langzeitspeicher Prozesseffizienz GuD 36 Kombi-KW 60% Strom 39
  • 40. Die Chemische Industrie als Teil der Lösung Beispiel 3: Biokraftstoffe - bioliq® bioSyncrude O2 (Steam) Gas cleaning and conditioning Biomass High pressure entrained flow gasification Filter Sorption Catalyst CO2 and water separation Pre-treatment Syngas Slag Synfuel Fast pyrolysis Fuel DME synthesis synthesis bioSyncrude De-central Centralized 40
  • 41. Zusammenfassung Große Herausforderungen bei der Umsetzung der Ziele der Energiewende in Baden-Württemberg Risiken identifizieren und durch professionelles Risikomanagement einschränken Chancen, die sich für die Chemieindustrie in BW eröffnen erkennen und konsequent nutzen Schlüssel zum Erfolg: F&E gestützt durch wissenschaftlich fundierte Energiesystemanalyse 41 19.02.2013
  • 42. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! KIT-ZENTRUM ENERGIE KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu