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Auswirkungen des EE-Ausbaus auf konventionelle Kraftwerke
Neues Speicherkonzept – 100% EE-Vollversorgung
Dr. Michael Sterner, Yves-Marie Saint-Drenan, Norman Gerhardt,
   Amany von Oehsen, Dr. Kurt Rohrig, Prof. Dr. Jürgen Schmid (IWES)


                                                          BAG Energie
                                                          Düsseldorf,
                                                          20.04.2010




© Fraunhofer IWES 2010




Inhalt

1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE:
   Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien
2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan:
    Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien
3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern
4) 100% EE Versorgungsstrukturen
5) Fazit




© Fraunhofer IWES 2010
Die Situation heute – Einspeisung Weihnachten 2009




                                    Wind


                                                 Versorgung stabil
                                Konventionelle
                                  Kraftwerke




© Fraunhofer IWES 2010




Die Situation in Zukunft? - Szenarienvergleich




                                           Klimaschutzziele
                                           Versorgungssicherheit




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Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit




                         Hauptquellen: Wind & Solar
                           Nutzung für Strom, Wärme, Mobilität




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Dynamische Modellierung - Regionale Verteilung - Beispiel PV

                                     Räumliche Verteilung der
                                        installierten PV-Leistung in
                                        Deutschland
                                        in kWp/km²




                                Starke Abhängigkeit vom Wetter
                                   Untersuchungszeitraum
                                   über mehrerer Jahre erforderlich




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Einspeisung nach Energie 2.0 – 2020 – Eine Woche - stündlich




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Einspeisung nach Energie 2.0 – 2020 – Ein gesamtes Jahr – std.




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Untersuchungshorizont BEE-Studie

      Was wurde untersucht?
          EE-Einspeisung des BEE-Szenarios für 2020
          auf Basis des Wetterjahres 2007
          Fluktuationen in der Stromversorgung
          2 Ausgleichsoptionen: Transport & Speicher
          Lastprofil (Residuale Last), welches vom konventionellen
          Kraftwerkspark zu decken ist

      Was wurde nicht untersucht?
          Kraftwerkseinsatzplanung der konventionellen Kraftwerke
          Netzaspekte: Netzausbau – Netzengpässe
          Technische Versorgungssicherheit: gesicherte Leistung – Regelleistung
          Bewertung des BEE-Szenarios für 2020

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Simulation von 2007: 15% EE - ein Jahr – stündliche Auflösung




                                                               Quelle: Sterner et al., 2010

© Fraunhofer IWES 2010
BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Jahr – stündliche Auflösung




                                             © IWES, 2009


                                           Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

© Fraunhofer IWES 2010




BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Jahr – wöchentliche Auflösung

                                               © IWES, 2010




                                           Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

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BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Quartal – tägliche Auflösung

                                               © IWES, 2010




                                           Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

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47% EE - Häufigkeit der An- und Abfahrvorgänge - Beispiel




                                           Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

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Anzahl der notwendigen “Abregelungen” in 500 MW Blöcken
Häufigkeit der An- und Abschaltungen im jeweiligen Leistungsbereich

                         ohne Erneuerbare          mit Erneuerbaren




                          Grundlastband für
                          konventionelle KW
                             vorhanden


                                                   Kein Grundlastband für
                                                     konventionelle KW
                                                         vorhanden


                                                        Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

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Ergebnisse zur fluktuierenden EE-Einspeisung von 47% (BEE)

     EE-Einspeisung immer vorhanden (15% - 110% Lastdeckung)
     Gute Korrelation auf jährlicher Basis, starke Flukt. auf wöchentl. Basis
     Dauerbetrieb von konventionellen Kraftwerken nimmt ab
          „klassischer Grundlastbereich“löst sich auf - Überkapazitäten
          höherer Mittel- und Spitzenlastbedarf – Unterkapazitäten
     Konventionelle Kraftwerke müssen flexibler werden
          häufiger Teillastbetrieb
          häufige An- und Abfahrvorgänge notwendig
          Wirtschaftlichkeit unsicher
           Neubau nur, wenn Flexibilität nachgewiesen werden kann
           Bestehende Kraftwerke reichen aus! (mit Retrofit + etwas Gas-KW)


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Konsequenzen für konventionelle Kraftwerke


      Lastfolgebetrieb wird zum Normalbetrieb
      Alle KW müssen zur Systemstabilität (Regelenergie) beitragen
      Retrofit              bestehende fossile Kraftwerke flexibler machen
      Technische Regelbarkeit (0-100%) und EE-Integrationsfähigkeit
      von Kernkraftwerken ist noch zu verifizieren  Demo
      Neue Betreibermodelle aufgrund absehbar geringer
      Betriebsstunden erforderlich (z.B. Kapazitätsmarkt:
      Leistungspreis für das Vorhalten einer gewissen Leistung)
       (RWE, 2009): „Nur flexible Kohle- und Gas-Kraftwerke sind
                     den veränderten Marktanforderungen gewachsen”




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Korrelation Wind & Last & EEX – deutliche Zusammenhänge
                         stündliche aufgelöste Daten für 2007 und 2008




Negative Strompreise                                   Wind senkt den Spotmarktpreis
zu Schwachlastzeiten bei wenig / viel Wind
                                                               Quelle: IWES - work in progress, 2010

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Auswirkungen von EE auf die Merit-Order




                                                         Quelle: RWE, LBBW Research., 2010

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EE haben einen Strompreis-dämpfenden Effekt
                         Gründe:
                         EE haben
                         - keine Brennstoffkosten
                         - keine CO2-Kosten
                         - sinkende Investitionskosten




                                                              Quelle: LBBW Research., 2010

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Generelle Tendenzen

      Erneuerbare Energien reduzieren den Grundlastbedarf drastisch
      Anforderungen an den konventionellen Kraftwerkspark
          Technologische Herausforderungen
               hohe Flexibilität, hohe Robustheit
               hohe Regelbarkeit, dafür entscheidend:
               (1) Mindest-Stillstandzeiten, (2) Anfahrdauer, (3) Mindest-Betriebszeiten
          Wirtschaftlichkeit unsicher
               geringere Auslastung
               nur Back-up für gesicherte Leistung für wenige Stunden
      Potentieller Systemkonflikt
          technisch:     (1) Abregelung von konvention. vs. erneuerbare Energien
                         (2) Ausbau von allen Erzeugungsarten (Überkapazitäten)
          wirtschaftlich: z.B. viel Wind      geringere Großhandelspreise (EEX)
                                              geringere Einnahmen mit Grundlast-KW


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BEE-Szenario: Residuale Last für 2020 – EE-Anteil: 47%




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BEE-Szenario: Residuale Last für 2020 – EE-Anteil: 47%




                              20 GW Bereich der Kernkraftwerke




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BMU Leitstudie: Residuale Last für 2050 – EE-Anteil: 78%




                         Ausgleich notwendig




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Ausgleichsmaßnahmen in 100% EE-Stromversorgung
EE übernehmen Systemdienstleistungen (1)


      Transport
          Netzausbau
          Europäisches Supergrid für Strom und Gas

      Speicher
          Kurzzeit (Tage):     Pumpspeicher, Druckluft, Batterien
          Langzeit (Saisonal): Pumpspeicher in Norwegen,
                               Wind / Solarstrom im Erdgasnetz als EE-Methan
      Energiemanagement
          Erzeugung: Kombikraftwerk mit EE-Prognosen, Gas-KW mit EE-Methan
          Verbrauch: Gesteuerter Verbrauch (E-KFZ, Wärmepumpen, Smart Grids)




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Ausgleichsmaßnahmen in 100% EE-Stromversorgung
EE übernehmen Systemdienstleistungen (2)
      Ausgleichsmaßnahmen
              Transport
              Speicher
              Energiemanagement
      Technische Stabilität durch alle 3 Maßnahmen gegeben
              dafür notwendig:
              Anpassung der Teilnahmebedingungen für EE am Regelenergiemarkt
              (d.h. Verkürzung der Ausschreibungszeiträume auf 1 Tag)
              Hohe Kapazität an Gas-KW mit EE-Methan am Höchst- und
              Hochspannungsnetz bzw. Pumpspeicherwerken
              Ökonomisches Optimum zwischen Ausgleichsmaßnahmen und EE-
              Abregelung
              Kapazitätsmarkt für konventionelle (Gas)-Kraftwerke im Übergang
              und Endausbau: Leistungspreis für Leistungsvorhaltung plus
              Arbeitspreis – ähnlich zum Regelleistungsmarkt
      Damit wird eine regenerative Vollversorgung technisch möglich

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Benötigter Bedarf an konv. Leistung und Energie in der Leitstudie




                                                                          Hoher Spitzen-
                                                                          lastbedarf
                                                                          (25 GW)


                                                                          Grundlast
                                                                          „verschwindet“


                                                                          Starke
                                                                          Fluktuationen
                                                                          der Überschüsse
                                                                          (40 GW)

             Herausforderung: Überschüsse mit Spitzenbedarf übereinbringen
                                                             Quelle: Sterner et al., 2010
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Verteilung der benötigten Spitzenlastenergie in TWh

                                                                          Kurzzeit-
                                                                          speicher:
                                                Stunde
                                                                          Pumpspeicher,
                                                                          Stationäre und
                                                 Tag                      mobile Batterien,
                                                                          CAES

                                                Woche
                                                                          Langzeit-
                                                                          speicher:
                                                                          Norwegen?
                                                                          H2 + ???
                                                Monat
                                                                            Wie H2
                                                                          speichern?


                   Größte Herausforderung: Ausgleich von Langzeitfluktuationen
                                                             Quelle: Sterner et al., 2010
© Fraunhofer IWES 2010
Verteilung der Energieüberschüsse in TWh
                                                     Monat
                                                     Woche


                                                       Tag




                                                     Stunde




 Beste Kombination: Tägliche Einspeicherung / wöchentl., monatl. Ausspeicherung
      geringe Speicherkosten erforderlich!
                                                             Quelle: Sterner et al., 2010

© Fraunhofer IWES 2010




Inhalt

1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE:
   Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien
2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan:
    Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien
    über den Ausgleich durch Kopplung von Strom- und Gasnetz
3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern
4) 100% EE Versorgungsstrukturen
5) Fazit




© Fraunhofer IWES 2010
Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

                                                          © IWES, 2010




                            H2O
                                                                          Chem. Energie
                                                                          (fossil, bio)



                                     Energiespeicherung

                Kernprozess: 1) Spalten von Wasser
                             2) H2 reagiert mit CO2

© Fraunhofer IWES 2010




Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan
Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz




                © IWES, ZSW, 2009
                                                                         Quelle: Specht et al, 2009
                                                                                     Sterner, 2009


© Fraunhofer IWES 2010
Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan
Energievektor für Wind und Solar in den Verkehrssektor




                                                                   © IWES, ZSW, 2009



                                                                    Quelle: Specht et al, 2009
                                                                                Sterner, 2009


© Fraunhofer IWES 2010




Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan
Erste Pilotanlage am ZSW in Stuttgart




 Quellen: Solar-fuel, 2009,
 Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009   CO2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Mais / a

© Fraunhofer IWES 2010
Renewable power (to) methane / erneuerbares Methan
Wirkungsgrade, Kapazitäten, Kosten (1)



                                                                  Wirkungsgrade:
                                                                  60-65% Methan
                                                                  35-40% Strom
                                                                  50-60% KWK
                                                                  Vs. 0% durch Abregelung




    © IWES, ZSW, 2009                                 EE-Strom wird zur Primärenergie

                                                            Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010

© Fraunhofer IWES 2010




Renewable power (to) methane / erneuerbares Methan
Wirkungsgrade, Kapazitäten, Kosten (2)

    Deutscher Stromverbrauch: ca. 600 TWhel - exemplarisch bei 70 GWel
    Deutsche Speicherkapazitäten
          Pumpspeicher, Batterien: ca. 0,07 TWhel – Reichweite: wenige Stunden
          E-mobility: max. 45 Mio. Autos @ 10 kWhel    0,45 TWhel – Reichweite: 6 Stunden
          Gasnetz: 200 TWhth ~ ca. 100 TWhel – Reichweite: 60 Tage bzw. 2 Monate


    Übertragungskapazitäten der Leitungen
          Stromnetz: einstellige GWel
          Gasnetz: zweistellige GWth    eine Größenordnung mehr

    Kosten
          Invest (Kompressor, Elektrolyser, Methanisierung, etc.) – ca. 1000-2000 EUR / kWel
          Stromeinkauf für 2-4 EURcent / kWhel für 8 EURCent / kWhth Methan
          (abhängig von Betriebs- und Regelkonzept)
                                                            Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010

© Fraunhofer IWES 2010
Simulation einer regenerativen Vollversorgung – Strom
                Szenario BMU Leitstudie 2008 für 2050 x 1.2 für Deutschland
| Stromverbrauch (Last) in GW
Überschuss




                                                                          Quelle: Sterner, 2009




               © Fraunhofer IWES 2010




                Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t_Benzin_eq./ ha a
                                                                        1 t Benzin / gasoline = 43,2 GJ




                Nutzung der Solarenergie: Biomethan – etwa 0,5%; Solarmethan – etwa 10%
                Vorteil von Windmethan: kombinierte Energie- und Landwirtschaft
                                                                   Quelle: Sterner, Specht et al, 2010


               © Fraunhofer IWES 2010
Vorteile der Kopplung der Energienetze - erneuerbares Methan
     Speicherung von EE im Erdgasnetz und flexibler Einsatz
          Langzeitspeicher, „keine“ Speicherbegrenzung, vorhandene Infrastruktur,
          weniger Konkurrenz zu anderen Lagerstätten, Nutzen des größten vorhandenen
          Energiespeichers

     Stabile Stromversorgung mit EE
          Regel- und Ausgleichsenergie für fluktuierende EE von fluktuierenden EE
          „Grundlast“ aus EE – Kombination EE & Gasturbinen / GuD / Mini-KWK

     CO2-neutraler kohlenstoff-basierter Energieträger für Verkehr (und Wärme)
          hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite, keine Konkurrenz zu
          Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen

     CO2 aus der Luft – Recycling – Energiesysteme mit Kohlenstoffsenke
     Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas
              Erhöhung der Versorgungssicherheit
              „Gas“ aus der Sahara – Pipeline zwischen Algerien und Spanien vorhanden


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Inhalt

1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE:
   Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien
2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan:
    Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien
3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern
4) 100% EE Versorgungsstrukturen
5) Fazit




© Fraunhofer IWES 2010
Holzartige Biomasse als Erdölersatz




© Fraunhofer IWES 2010




     Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern
        1. Stufe: Ohne große Verluste und zu geringen Kosten
                  fossile Energieträger ersetzen – „low hanging fruits first“




                                                                 Quelle: WBGU, 2008


© Fraunhofer IWES 2010
Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern
    2. Stufe: Strategische Funktionen:
              Fluktuationsausgleich und Flug- und Güterverkehr




                                Source: Sterner, 2009

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  Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern
   3. Stufe: Ersatz von fossilen Rohstoffen für stoffliche Nutzung
            „Biomaterials, Biorefineries“ Kaskadennutzung




                                                            Source: Sterner, 2009

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Inhalt

1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE:
   Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien
2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan:
    Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien
3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern
4) 100% EE Versorgungsstrukturen
5) Fazit




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100% erneuerbare Energie für Strom, Wärme und Verkehr




                                                              “carbon sink
                                                              energy system”




                                                        Quelle: Sterner, 2009



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Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung




                                                         Quelle: Sterner, 2009

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2°C Ziel: Globaler Umbau der Energieversorgung notwendig.
Energieziel: Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch Einsatz von EE




                                                        Quelle: Sterner, 2009

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Zusammenfassung
       Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist
          technisch möglich
          ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht
          ökologisch / klimatechnisch not-wendig


       Herausforderungen
          Umbau der Energieversorgungsstrukturen
          Hoher Investitionsaufwand zu Beginn
          Technologie- und Wissenstransfer
          “Transformation” des Bewusstseins
          (1.Menschen mitnehmen; 2. konventionelle und regenerative Energiewirtschaft auf einen Weg bringen
          Richtung nachhaltiger Vollversorgung mit erneuerbaren Energien)



       Entscheidend                                           Vielen Dank
          politischer Wille und Bewusstseinswandel


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Quellen und weiterführende Informationen
BEE (2009): Branchenprognose Stromversorgung 2020. BEE, Berlin.
http://www.bee-ev.de/Energieversorgung/Strom/Stromversorgung-2020.php
LBBW Research (2010): Sector Report Energy & Power Technology, Institutional Equity
Research, Landesbank Baden-Württemberg, Stuttgart.
Saint-Drenan, Y.M.; von Oehsen, A.; Gerhardt, N.; Sterner, M.; Bofinger, S.; Rohrig, K. (2009):
Dynamische Simulation der Stromversorgung in Deutschland nach dem BEE-Szenario
„Stromversorgung 2020“. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.bee-
ev.de/_downloads/publikationen/studien/2010/100119_BEE_IWES-
Simulation_Stromversorgung2020_Endbericht.pdf
Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.;
Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz.
FVEE Jahrestagung 2009. Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin.
Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable
energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University,
Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2
Sterner, M.; Gerhardt, N.; Saint-Drenan, Y.M.; von Oehsen, A.; Hochloff, P.; Kocmajewski, M.;
Lindner, P.; Jentsch, M.; Pape, K.; Bofinger, S.; Rohrig, K. (2010): Energiewirtschaftliche
Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen
Stromversorgungssystem. Studie für Schluchseewerke AG. Fraunhofer IWES, Kassel.
http://www.schluchseewerk.de/105.0.html
RWE (2009): The Need for Smart Megawatts Power Generation in Europe – Facts & Trends.
December 2009. RWE, Essen.
http://www.rwe.com/web/cms/mediablob/de/355588/data/214416/55716/rwe/investor-
relations/events-praesentationen/fakten-kompakt/power-generation-in-europe/The-Need-
for-Smart-Megawatt-Power-Generation-in-Europe-Facts-Trends-Vollversion-PDF-Datei-.pdf

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Kontakt


                         Dr.-Ing. Michael Sterner
                         Fraunhofer Institut für Windenergie und
                         Energiesystemtechnik
                         Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse
                         +49 – 561 – 72 94 361
                         msterner_at_iset.uni-kassel.de




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  • 1. Auswirkungen des EE-Ausbaus auf konventionelle Kraftwerke Neues Speicherkonzept – 100% EE-Vollversorgung Dr. Michael Sterner, Yves-Marie Saint-Drenan, Norman Gerhardt, Amany von Oehsen, Dr. Kurt Rohrig, Prof. Dr. Jürgen Schmid (IWES) BAG Energie Düsseldorf, 20.04.2010 © Fraunhofer IWES 2010 Inhalt 1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE: Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien 2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan: Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien 3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern 4) 100% EE Versorgungsstrukturen 5) Fazit © Fraunhofer IWES 2010
  • 2. Die Situation heute – Einspeisung Weihnachten 2009 Wind Versorgung stabil Konventionelle Kraftwerke © Fraunhofer IWES 2010 Die Situation in Zukunft? - Szenarienvergleich Klimaschutzziele Versorgungssicherheit © Fraunhofer IWES 2010
  • 3. Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Hauptquellen: Wind & Solar Nutzung für Strom, Wärme, Mobilität © Fraunhofer IWES 2010 Dynamische Modellierung - Regionale Verteilung - Beispiel PV Räumliche Verteilung der installierten PV-Leistung in Deutschland in kWp/km² Starke Abhängigkeit vom Wetter Untersuchungszeitraum über mehrerer Jahre erforderlich © Fraunhofer IWES 2010
  • 4. Einspeisung nach Energie 2.0 – 2020 – Eine Woche - stündlich © Fraunhofer IWES 2010 Einspeisung nach Energie 2.0 – 2020 – Ein gesamtes Jahr – std. © Fraunhofer IWES 2010
  • 5. Untersuchungshorizont BEE-Studie Was wurde untersucht? EE-Einspeisung des BEE-Szenarios für 2020 auf Basis des Wetterjahres 2007 Fluktuationen in der Stromversorgung 2 Ausgleichsoptionen: Transport & Speicher Lastprofil (Residuale Last), welches vom konventionellen Kraftwerkspark zu decken ist Was wurde nicht untersucht? Kraftwerkseinsatzplanung der konventionellen Kraftwerke Netzaspekte: Netzausbau – Netzengpässe Technische Versorgungssicherheit: gesicherte Leistung – Regelleistung Bewertung des BEE-Szenarios für 2020 © Fraunhofer IWES 2010 Simulation von 2007: 15% EE - ein Jahr – stündliche Auflösung Quelle: Sterner et al., 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 6. BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Jahr – stündliche Auflösung © IWES, 2009 Quelle: Saint-Drenan et al., 2009 © Fraunhofer IWES 2010 BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Jahr – wöchentliche Auflösung © IWES, 2010 Quelle: Saint-Drenan et al., 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 7. BEE-Szenario 2020: 47% EE - ein Quartal – tägliche Auflösung © IWES, 2010 Quelle: Saint-Drenan et al., 2009 © Fraunhofer IWES 2010 47% EE - Häufigkeit der An- und Abfahrvorgänge - Beispiel Quelle: Saint-Drenan et al., 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 8. Anzahl der notwendigen “Abregelungen” in 500 MW Blöcken Häufigkeit der An- und Abschaltungen im jeweiligen Leistungsbereich ohne Erneuerbare mit Erneuerbaren Grundlastband für konventionelle KW vorhanden Kein Grundlastband für konventionelle KW vorhanden Quelle: Saint-Drenan et al., 2009 © Fraunhofer IWES 2010 Ergebnisse zur fluktuierenden EE-Einspeisung von 47% (BEE) EE-Einspeisung immer vorhanden (15% - 110% Lastdeckung) Gute Korrelation auf jährlicher Basis, starke Flukt. auf wöchentl. Basis Dauerbetrieb von konventionellen Kraftwerken nimmt ab „klassischer Grundlastbereich“löst sich auf - Überkapazitäten höherer Mittel- und Spitzenlastbedarf – Unterkapazitäten Konventionelle Kraftwerke müssen flexibler werden häufiger Teillastbetrieb häufige An- und Abfahrvorgänge notwendig Wirtschaftlichkeit unsicher Neubau nur, wenn Flexibilität nachgewiesen werden kann Bestehende Kraftwerke reichen aus! (mit Retrofit + etwas Gas-KW) © Fraunhofer IWES 2010
  • 9. Konsequenzen für konventionelle Kraftwerke Lastfolgebetrieb wird zum Normalbetrieb Alle KW müssen zur Systemstabilität (Regelenergie) beitragen Retrofit bestehende fossile Kraftwerke flexibler machen Technische Regelbarkeit (0-100%) und EE-Integrationsfähigkeit von Kernkraftwerken ist noch zu verifizieren Demo Neue Betreibermodelle aufgrund absehbar geringer Betriebsstunden erforderlich (z.B. Kapazitätsmarkt: Leistungspreis für das Vorhalten einer gewissen Leistung) (RWE, 2009): „Nur flexible Kohle- und Gas-Kraftwerke sind den veränderten Marktanforderungen gewachsen” © Fraunhofer IWES 2010 Korrelation Wind & Last & EEX – deutliche Zusammenhänge stündliche aufgelöste Daten für 2007 und 2008 Negative Strompreise Wind senkt den Spotmarktpreis zu Schwachlastzeiten bei wenig / viel Wind Quelle: IWES - work in progress, 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 10. Auswirkungen von EE auf die Merit-Order Quelle: RWE, LBBW Research., 2010 © Fraunhofer IWES 2010 EE haben einen Strompreis-dämpfenden Effekt Gründe: EE haben - keine Brennstoffkosten - keine CO2-Kosten - sinkende Investitionskosten Quelle: LBBW Research., 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 11. Generelle Tendenzen Erneuerbare Energien reduzieren den Grundlastbedarf drastisch Anforderungen an den konventionellen Kraftwerkspark Technologische Herausforderungen hohe Flexibilität, hohe Robustheit hohe Regelbarkeit, dafür entscheidend: (1) Mindest-Stillstandzeiten, (2) Anfahrdauer, (3) Mindest-Betriebszeiten Wirtschaftlichkeit unsicher geringere Auslastung nur Back-up für gesicherte Leistung für wenige Stunden Potentieller Systemkonflikt technisch: (1) Abregelung von konvention. vs. erneuerbare Energien (2) Ausbau von allen Erzeugungsarten (Überkapazitäten) wirtschaftlich: z.B. viel Wind geringere Großhandelspreise (EEX) geringere Einnahmen mit Grundlast-KW © Fraunhofer IWES 2010 BEE-Szenario: Residuale Last für 2020 – EE-Anteil: 47% © Fraunhofer IWES 2010
  • 12. BEE-Szenario: Residuale Last für 2020 – EE-Anteil: 47% 20 GW Bereich der Kernkraftwerke © Fraunhofer IWES 2010 BMU Leitstudie: Residuale Last für 2050 – EE-Anteil: 78% Ausgleich notwendig © Fraunhofer IWES 2010
  • 13. Ausgleichsmaßnahmen in 100% EE-Stromversorgung EE übernehmen Systemdienstleistungen (1) Transport Netzausbau Europäisches Supergrid für Strom und Gas Speicher Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien Langzeit (Saisonal): Pumpspeicher in Norwegen, Wind / Solarstrom im Erdgasnetz als EE-Methan Energiemanagement Erzeugung: Kombikraftwerk mit EE-Prognosen, Gas-KW mit EE-Methan Verbrauch: Gesteuerter Verbrauch (E-KFZ, Wärmepumpen, Smart Grids) © Fraunhofer IWES 2010 Ausgleichsmaßnahmen in 100% EE-Stromversorgung EE übernehmen Systemdienstleistungen (2) Ausgleichsmaßnahmen Transport Speicher Energiemanagement Technische Stabilität durch alle 3 Maßnahmen gegeben dafür notwendig: Anpassung der Teilnahmebedingungen für EE am Regelenergiemarkt (d.h. Verkürzung der Ausschreibungszeiträume auf 1 Tag) Hohe Kapazität an Gas-KW mit EE-Methan am Höchst- und Hochspannungsnetz bzw. Pumpspeicherwerken Ökonomisches Optimum zwischen Ausgleichsmaßnahmen und EE- Abregelung Kapazitätsmarkt für konventionelle (Gas)-Kraftwerke im Übergang und Endausbau: Leistungspreis für Leistungsvorhaltung plus Arbeitspreis – ähnlich zum Regelleistungsmarkt Damit wird eine regenerative Vollversorgung technisch möglich © Fraunhofer IWES 2010
  • 14. Benötigter Bedarf an konv. Leistung und Energie in der Leitstudie Hoher Spitzen- lastbedarf (25 GW) Grundlast „verschwindet“ Starke Fluktuationen der Überschüsse (40 GW) Herausforderung: Überschüsse mit Spitzenbedarf übereinbringen Quelle: Sterner et al., 2010 © Fraunhofer IWES 2010 Verteilung der benötigten Spitzenlastenergie in TWh Kurzzeit- speicher: Stunde Pumpspeicher, Stationäre und Tag mobile Batterien, CAES Woche Langzeit- speicher: Norwegen? H2 + ??? Monat Wie H2 speichern? Größte Herausforderung: Ausgleich von Langzeitfluktuationen Quelle: Sterner et al., 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 15. Verteilung der Energieüberschüsse in TWh Monat Woche Tag Stunde Beste Kombination: Tägliche Einspeicherung / wöchentl., monatl. Ausspeicherung geringe Speicherkosten erforderlich! Quelle: Sterner et al., 2010 © Fraunhofer IWES 2010 Inhalt 1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE: Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien 2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan: Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien über den Ausgleich durch Kopplung von Strom- und Gasnetz 3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern 4) 100% EE Versorgungsstrukturen 5) Fazit © Fraunhofer IWES 2010
  • 16. Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? © IWES, 2010 H2O Chem. Energie (fossil, bio) Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2 © Fraunhofer IWES 2010 Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz © IWES, ZSW, 2009 Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 17. Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan Energievektor für Wind und Solar in den Verkehrssektor © IWES, ZSW, 2009 Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010 Renewable Power (to) Methane – erneuerbares Methan Erste Pilotanlage am ZSW in Stuttgart Quellen: Solar-fuel, 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009 CO2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Mais / a © Fraunhofer IWES 2010
  • 18. Renewable power (to) methane / erneuerbares Methan Wirkungsgrade, Kapazitäten, Kosten (1) Wirkungsgrade: 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK Vs. 0% durch Abregelung © IWES, ZSW, 2009 EE-Strom wird zur Primärenergie Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010 © Fraunhofer IWES 2010 Renewable power (to) methane / erneuerbares Methan Wirkungsgrade, Kapazitäten, Kosten (2) Deutscher Stromverbrauch: ca. 600 TWhel - exemplarisch bei 70 GWel Deutsche Speicherkapazitäten Pumpspeicher, Batterien: ca. 0,07 TWhel – Reichweite: wenige Stunden E-mobility: max. 45 Mio. Autos @ 10 kWhel 0,45 TWhel – Reichweite: 6 Stunden Gasnetz: 200 TWhth ~ ca. 100 TWhel – Reichweite: 60 Tage bzw. 2 Monate Übertragungskapazitäten der Leitungen Stromnetz: einstellige GWel Gasnetz: zweistellige GWth eine Größenordnung mehr Kosten Invest (Kompressor, Elektrolyser, Methanisierung, etc.) – ca. 1000-2000 EUR / kWel Stromeinkauf für 2-4 EURcent / kWhel für 8 EURCent / kWhth Methan (abhängig von Betriebs- und Regelkonzept) Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 19. Simulation einer regenerativen Vollversorgung – Strom Szenario BMU Leitstudie 2008 für 2050 x 1.2 für Deutschland | Stromverbrauch (Last) in GW Überschuss Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010 Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t_Benzin_eq./ ha a 1 t Benzin / gasoline = 43,2 GJ Nutzung der Solarenergie: Biomethan – etwa 0,5%; Solarmethan – etwa 10% Vorteil von Windmethan: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: Sterner, Specht et al, 2010 © Fraunhofer IWES 2010
  • 20. Vorteile der Kopplung der Energienetze - erneuerbares Methan Speicherung von EE im Erdgasnetz und flexibler Einsatz Langzeitspeicher, „keine“ Speicherbegrenzung, vorhandene Infrastruktur, weniger Konkurrenz zu anderen Lagerstätten, Nutzen des größten vorhandenen Energiespeichers Stabile Stromversorgung mit EE Regel- und Ausgleichsenergie für fluktuierende EE von fluktuierenden EE „Grundlast“ aus EE – Kombination EE & Gasturbinen / GuD / Mini-KWK CO2-neutraler kohlenstoff-basierter Energieträger für Verkehr (und Wärme) hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite, keine Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen CO2 aus der Luft – Recycling – Energiesysteme mit Kohlenstoffsenke Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas Erhöhung der Versorgungssicherheit „Gas“ aus der Sahara – Pipeline zwischen Algerien und Spanien vorhanden © Fraunhofer IWES 2010 Inhalt 1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE: Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien 2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan: Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien 3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern 4) 100% EE Versorgungsstrukturen 5) Fazit © Fraunhofer IWES 2010
  • 21. Holzartige Biomasse als Erdölersatz © Fraunhofer IWES 2010 Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern 1. Stufe: Ohne große Verluste und zu geringen Kosten fossile Energieträger ersetzen – „low hanging fruits first“ Quelle: WBGU, 2008 © Fraunhofer IWES 2010
  • 22. Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern 2. Stufe: Strategische Funktionen: Fluktuationsausgleich und Flug- und Güterverkehr Source: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010 Stufen der Bioenergienutzung in Industrieländern 3. Stufe: Ersatz von fossilen Rohstoffen für stoffliche Nutzung „Biomaterials, Biorefineries“ Kaskadennutzung Source: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 23. Inhalt 1) Herausforderungen im Übergang zu 100% EE: Ergebnisse verschiedener Modellläufe mit unterschiedlichen Szenarien 2) Erneuerbarer Strom zu erneuerbarem Methan: Ein Lösungsansatz zur Integration erneuerbarer Energien 3) Die Rolle der Bioenergie in Industrieländern 4) 100% EE Versorgungsstrukturen 5) Fazit © Fraunhofer IWES 2010 100% erneuerbare Energie für Strom, Wärme und Verkehr “carbon sink energy system” Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 24. Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010 2°C Ziel: Globaler Umbau der Energieversorgung notwendig. Energieziel: Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch Einsatz von EE Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES 2010
  • 25. Zusammenfassung Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch not-wendig Herausforderungen Umbau der Energieversorgungsstrukturen Hoher Investitionsaufwand zu Beginn Technologie- und Wissenstransfer “Transformation” des Bewusstseins (1.Menschen mitnehmen; 2. konventionelle und regenerative Energiewirtschaft auf einen Weg bringen Richtung nachhaltiger Vollversorgung mit erneuerbaren Energien) Entscheidend Vielen Dank politischer Wille und Bewusstseinswandel © Fraunhofer IWES 2010 Quellen und weiterführende Informationen BEE (2009): Branchenprognose Stromversorgung 2020. BEE, Berlin. http://www.bee-ev.de/Energieversorgung/Strom/Stromversorgung-2020.php LBBW Research (2010): Sector Report Energy & Power Technology, Institutional Equity Research, Landesbank Baden-Württemberg, Stuttgart. Saint-Drenan, Y.M.; von Oehsen, A.; Gerhardt, N.; Sterner, M.; Bofinger, S.; Rohrig, K. (2009): Dynamische Simulation der Stromversorgung in Deutschland nach dem BEE-Szenario „Stromversorgung 2020“. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.bee- ev.de/_downloads/publikationen/studien/2010/100119_BEE_IWES- Simulation_Stromversorgung2020_Endbericht.pdf Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.; Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz. FVEE Jahrestagung 2009. Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin. Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 Sterner, M.; Gerhardt, N.; Saint-Drenan, Y.M.; von Oehsen, A.; Hochloff, P.; Kocmajewski, M.; Lindner, P.; Jentsch, M.; Pape, K.; Bofinger, S.; Rohrig, K. (2010): Energiewirtschaftliche Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen Stromversorgungssystem. Studie für Schluchseewerke AG. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.schluchseewerk.de/105.0.html RWE (2009): The Need for Smart Megawatts Power Generation in Europe – Facts & Trends. December 2009. RWE, Essen. http://www.rwe.com/web/cms/mediablob/de/355588/data/214416/55716/rwe/investor- relations/events-praesentationen/fakten-kompakt/power-generation-in-europe/The-Need- for-Smart-Megawatt-Power-Generation-in-Europe-Facts-Trends-Vollversion-PDF-Datei-.pdf © Fraunhofer IWES 2010
  • 26. Kontakt Dr.-Ing. Michael Sterner Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse +49 – 561 – 72 94 361 msterner_at_iset.uni-kassel.de © Fraunhofer IWES 2010