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Energiewende Nordhessen
Technische und ökonomische Verknüpfung des
regionalen Strom- und Wärmemarktes
Stand 12. November 2013
Dr. Thorsten Ebert,
Vorstand Städtische Werke AG
Energiewende Nordhessen:
Strom – Wärme - Verkehr
• Ausgangspunkt der Studie ist die Fragestellung, ob eine
Energieversorgung der Strom-, Wärme- und Verkehrsmärkte
in Nordhessen mit dezentralen und erneuerbaren
Energien möglich und sinnvoll ist.
• 2012: Analyse des Strommarktes Nordhessens
• 2013: Untersuchung des regionalen Wärmemarktes und
dessen technische und ökonomische Verknüpfungen zum
Strommarkt
• Geplant für 2014: Analyse des Verkehrsmarktes
1
PROJEKTPARTNER
1

Stadtwerke Union Nordhessen – SUN
• Die SUN-Partner versorgen
rund 290.000 Menschen
mit Energie.
• Die SUN-Partner
beschäftigen
ca. 1.300 Mitarbeiter.
1

Fraunhofer-Institut für Windenergie
und Energiesystemtechnik (IWES)
• Forschen für die Praxis ist die zentrale
Aufgabe der 66 Institute und
selbständigen Forschungseinrichtungen
der Fraunhofer-Gesellschaft.

• Das Fraunhofer IWES beschäftigt sich
mit der Energiesystemtechnik für
alle Formen der erneuerbaren
Energien.
• Am Fraunhofer IWES arbeiten rund
480 Personen.
1

Institut dezentrale
Energietechnologien (IdE)
• Das IdE ist ein
anwendungsorientiertes
Forschungsinstitut an der Universität
Kassel.

• Der inhaltliche Schwerpunkt des
Instituts liegt auf einer
ganzheitlichen Betrachtung der
Energiebedarfsfelder Strom und
Wärme, einschließlich der
Elektroenergieversorgung für die
Mobilität.
2
TEILSTUDIE STROMMARKT

Ausgewählte Ergebnisse
aus 2012
2

Zentrale Fragestellungen
• Ist eine weitgehend dezentrale Stromversorgung aus
erneuerbaren Energien in Nordhessen möglich und sinnvoll?
• Wie hoch ist der EE-Anteil bereits und sind ausreichend weitere
Potenziale vorhanden?
• Welcher Energiemix ist anzustreben?
• Wie können die Bürger mit einbezogen und die Region
gestärkt werden?
2

EE-Potenziale für Strom aus Wind –
PV – Wasser - Bioenergie
2

Jahresdauerlinien der Residuallasten
• Im Ausgangsszenario wurde
eine Versorgung der Region zu
80 % aus dezentralen EEAnlagen zugrunde gelegt.
Dabei entstehen rechnerisch
während ca. 3 Monaten
Erzeugungsüberschüsse.
• Mehr als 400 MW Unterdeckung
entstehen nur für ca. 10 Tage.
• Im EEMax-Szenario (157 %
EE-Erzeugung) entstehen
Überschüsse für mehr als die
Hälfte des Jahres.
2

Zusammenfassung
• Eine dezentrale Energiewende ist auch in einer Region
mit einem Oberzentrum mit industriell geprägter Struktur
möglich.
• Auch in einem dezentralen Szenario ist ein überregionaler
Netzausbau notwendig.
• Die regionalen Wertschöpfungspotenziale sind erheblich,
können aber nur generiert werden, wenn die Anlagen auch
im Eigentum regionaler Akteure sind (Kommunen,
Bürgergenossenschaften, Stadtwerke, regionale Banken).
3
TEILSTUDIE WÄRMEMARKT

Technische und ökonomische
Verknüpfung des regionalen
Strom- und Wärmemarktes
3

Zentrale Fragestellungen
• Wie entwickelt sich der Wärmemarkt in der SUN-Region?
• Sind ausreichend Potenziale vorhanden, um 100 % des
Wärmebedarfs regenerativ zu decken?
• Welche Auswirkungen haben verschiedene Technologien zur
Wärmeerzeugung auf den Wärme- und Strommarkt?
4
TEILSTUDIE WÄRMEMARKT

Bestandsanalyse
4

Strukturdaten SUN-Region
• 730.000 Einwohner
• 4.000 km2 Fläche
• 3.700 GWh/a Strombedarf
• 7.000 GWh/a Wärmebedarf

*

• 590 MW Spitzenlast Strom
• 2540 MW Spitzenlast Wärme

*ohne industrielle Prozesswärme

(ca. 2.500 GWh)
4

Wärmeerzeugungsstruktur 2011
nach Brennstoffen
• Ca. 10 % EE-Anteil an
der Wärmeversorgung
Nordhessens
• Größter Beitrag der EEWärmeerzeugung durch
Biomasse
4

Wärmeerzeugungsstruktur 2011
nach Technologie
• Ca. 80 % der Wärme
wird in dezentralen
Feuerungsanlagen
(Gas, Öl, Biomasse)
erzeugt.
4

Wärme- und Stromverbrauch
• Wärmebedarf gesamt
Nordhessen = 7.000 GWh
• Strombedarf gesamt
Nordhessen = 3.700 GWh

• Die Lastgänge
unterscheiden sich
erheblich.
5
TEILSTUDIE WÄRMEMARKT

Potenzialanalyse
5

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SUN-Region
5

Potenziale für Wärme nach
Gebietskörperschaften
5

Profilvergleich Strom und Wärme
5

Kopplung Strom und Wärme
6
TEILSTUDIE WÄRMEMARKT

Szenarien
6

Drei Ausbauszenarien für die
Wärmeversorgung
1. Business as usual
2. Beschleunigter EE-Ausbau
3. Maximaler Ausbau von Wärmepumpen (WPmax)
6

Business as usual
• Aktuelle Markttrends, technologische Entwicklungen und
Modernisierungsraten für Heizsysteme werden für die
zukünftige Entwicklung fortgeschrieben
• 3 % p. a. Modernisierungsrate der Wärmeerzeuger,
davon
— ca. 2,9 % Biomasse
— ca. 9 % Wärmepumpe
— ca. 3400 kWth p. a. Solarthermie in Kombination mit anderen
Wärmeerzeugern
6

Business as usual
• Durch Effizienzsteigerung
sinkt der Wärmebedarf um
ca. 21 %.

• Der EE-Anteil an der
Wärmeversorgung
Nordhessens erhöht sich
von ca. 10 % auf ca. 17 %.
• Selbstversorgungsanteil
kann von ca. 12 % auf ca.
20 % gesteigert werden
6

Beschleunigter EE-Ausbau
• Beschleunigte Modernisierung der Heiztechnologien
(5 % p. a.)

• Anteil regenerativer Energieträger an Neuinstallationen im
Vergleich zum Business-as-usual-Szenario wird verdoppelt:
— ca. 6 %
— ca. 18 %

Biomasse
Wärmepumpe

• Daraus resultiert: Absolute EE-Zubauzahlen
verdreifachen sich.
• ca. 11.300 kWth p.a. Solarthermie in Kombination mit
anderen Wärmeerzeugern
6

Beschleunigter EE-Ausbau
• Durch Effizienzsteigerung
sinkt der Wärmebedarf um
ca. 21 %.

• Der EE-Anteil an der
Wärmeversorgung
Nordhessens erhöht sich von
ca. 10 % auf ca. 28 %.
• Selbstversorgungsanteil
erhöht sich von ca. 12 %
auf ca. 30 %.
6

Maximaler Ausbau von Wärmepumpen
• Deckung des Wärmebedarfs ausschließlich über
Wärmepumpen.

• Grundlage bildet die Annahme, dass zu einem unbestimmten
Zeitpunkt der gesamte Gebäudebestand wärmegedämmt
ist.
• Kopplung mit Stromerzeugung aus EEmax-Szenario
aus der Teilstudie Strommarkt (alle Potenziale zur
Stromerzeugung aus EE werden genutzt).
6

Maximaler Ausbau von Wärmepumpen
• Durch Effizienzsteigerung
sinkt der Wärmebedarf um
ca. 50 %.

• EE-Anteil an der

Wärmeerzeugung: 77 %
• Herkunft des Stroms
für Wärmepumpen:
— 38 % EE-Überschussstrom
aus der Region
— 62 % Stromimport
6

Maximaler Ausbau von Wärmepumpen
Auswirkung auf Residuallast:
• Spitzen von ÜberschussStrom verringern sich um
ca. 6 %.
• Maximale Stromlücke
(Spitzenlast) verdoppelt
sich von ca. 500 MWel auf
ca. 1.000 MWel.
6

Vergleich der drei Ausbauszenarien
• Business as usual:
EE-Ausbau sehr langsam.
• Beschl. EE-Ausbau:
trotz Verdreifachung des
Zubaus kein
wesentlicher Beitrag
zur Energiewende.

• Max. Ausbau von
Wärmepumpen:
hoher EE-Anteil, aber
deutlich erhöhte
Spitzenlast.
7
TEILSTUDIE WÄRMEMARKT

Zusammenfassung
7

Zusammenfassung (1/2)
• Sowohl der Strombedarf (bis zu 157 %) als auch der
Wärmebedarf * (bis zu 104 %) in Nordhessen kann aus
dezentralen erneuerbaren Energien gedeckt werden.
• Bei einer Fortschreibung der aktuellen
Heizungsaustauschraten und der dabei bevorzugten
Technologien wird eine zügige Transformation zu einer
überwiegend erneuerbaren Energieversorgung nicht
gelingen.

*

ohne industriellen Prozesswärmebedarf
7

Zusammenfassung (2/2)
• Zentraler Baustein der Energiewende im Wärmemarkt ist die
Energieeinsparung.

• Die Verknüpfung von Strom und Wärme kann einen
relevanten Beitrag zur zügigen Transformation des
Energiesystems leisten. Sie erhöht aber auch die
Komplexität der Aufgabe.
• Die Beschränkung auf eine Technologie zur
Wärmeversorgung wie der Wärmepumpe ist aufgrund der
negativen Auswirkungen auf den Stromsektor (Erhöhung der
Spitzenlast) nicht sinnvoll.
8
AUSBLICK
8

Ausblick
• Zusätzlich zum regionalen Strom- und Wärmemarkt soll auch die
Energieversorgung des Verkehrsmarktes untersucht werden.
• Weitere Untersuchungsgegenstände Modellregion Nordhessen:
— Virtuelle Kraftwerke (VK) als zentrales Instrument der
Energiewende
— Vermarktungsoptionen für erneuerbare Energien
— Ausbau und Betrieb der zukünftigen Netzinfrastruktur
— Anforderungen aus der Kopplung Wärme-/Strommarkt an die
Wärmeversorgung (sinnvoller Technologiemix)
— Einbeziehung des industriellen Prozesswärmebedarfs
— Verwendung von Energiespeichern zur optimierten Nutzung von
Erzeugungsüberschüssen Strom/Wärme

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Energiewende Nordhessen - technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom - und Wärmemarktes - SUN/Fraunhofer IWES/IdE

  • 1. Energiewende Nordhessen Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes Stand 12. November 2013 Dr. Thorsten Ebert, Vorstand Städtische Werke AG
  • 2.
  • 3. Energiewende Nordhessen: Strom – Wärme - Verkehr • Ausgangspunkt der Studie ist die Fragestellung, ob eine Energieversorgung der Strom-, Wärme- und Verkehrsmärkte in Nordhessen mit dezentralen und erneuerbaren Energien möglich und sinnvoll ist. • 2012: Analyse des Strommarktes Nordhessens • 2013: Untersuchung des regionalen Wärmemarktes und dessen technische und ökonomische Verknüpfungen zum Strommarkt • Geplant für 2014: Analyse des Verkehrsmarktes
  • 5. 1 Stadtwerke Union Nordhessen – SUN • Die SUN-Partner versorgen rund 290.000 Menschen mit Energie. • Die SUN-Partner beschäftigen ca. 1.300 Mitarbeiter.
  • 6. 1 Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) • Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der 66 Institute und selbständigen Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft. • Das Fraunhofer IWES beschäftigt sich mit der Energiesystemtechnik für alle Formen der erneuerbaren Energien. • Am Fraunhofer IWES arbeiten rund 480 Personen.
  • 7. 1 Institut dezentrale Energietechnologien (IdE) • Das IdE ist ein anwendungsorientiertes Forschungsinstitut an der Universität Kassel. • Der inhaltliche Schwerpunkt des Instituts liegt auf einer ganzheitlichen Betrachtung der Energiebedarfsfelder Strom und Wärme, einschließlich der Elektroenergieversorgung für die Mobilität.
  • 9. 2 Zentrale Fragestellungen • Ist eine weitgehend dezentrale Stromversorgung aus erneuerbaren Energien in Nordhessen möglich und sinnvoll? • Wie hoch ist der EE-Anteil bereits und sind ausreichend weitere Potenziale vorhanden? • Welcher Energiemix ist anzustreben? • Wie können die Bürger mit einbezogen und die Region gestärkt werden?
  • 10. 2 EE-Potenziale für Strom aus Wind – PV – Wasser - Bioenergie
  • 11. 2 Jahresdauerlinien der Residuallasten • Im Ausgangsszenario wurde eine Versorgung der Region zu 80 % aus dezentralen EEAnlagen zugrunde gelegt. Dabei entstehen rechnerisch während ca. 3 Monaten Erzeugungsüberschüsse. • Mehr als 400 MW Unterdeckung entstehen nur für ca. 10 Tage. • Im EEMax-Szenario (157 % EE-Erzeugung) entstehen Überschüsse für mehr als die Hälfte des Jahres.
  • 12. 2 Zusammenfassung • Eine dezentrale Energiewende ist auch in einer Region mit einem Oberzentrum mit industriell geprägter Struktur möglich. • Auch in einem dezentralen Szenario ist ein überregionaler Netzausbau notwendig. • Die regionalen Wertschöpfungspotenziale sind erheblich, können aber nur generiert werden, wenn die Anlagen auch im Eigentum regionaler Akteure sind (Kommunen, Bürgergenossenschaften, Stadtwerke, regionale Banken).
  • 13. 3 TEILSTUDIE WÄRMEMARKT Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes
  • 14. 3 Zentrale Fragestellungen • Wie entwickelt sich der Wärmemarkt in der SUN-Region? • Sind ausreichend Potenziale vorhanden, um 100 % des Wärmebedarfs regenerativ zu decken? • Welche Auswirkungen haben verschiedene Technologien zur Wärmeerzeugung auf den Wärme- und Strommarkt?
  • 16. 4 Strukturdaten SUN-Region • 730.000 Einwohner • 4.000 km2 Fläche • 3.700 GWh/a Strombedarf • 7.000 GWh/a Wärmebedarf * • 590 MW Spitzenlast Strom • 2540 MW Spitzenlast Wärme *ohne industrielle Prozesswärme (ca. 2.500 GWh)
  • 17. 4 Wärmeerzeugungsstruktur 2011 nach Brennstoffen • Ca. 10 % EE-Anteil an der Wärmeversorgung Nordhessens • Größter Beitrag der EEWärmeerzeugung durch Biomasse
  • 18. 4 Wärmeerzeugungsstruktur 2011 nach Technologie • Ca. 80 % der Wärme wird in dezentralen Feuerungsanlagen (Gas, Öl, Biomasse) erzeugt.
  • 19. 4 Wärme- und Stromverbrauch • Wärmebedarf gesamt Nordhessen = 7.000 GWh • Strombedarf gesamt Nordhessen = 3.700 GWh • Die Lastgänge unterscheiden sich erheblich.
  • 21. 5 Potenziale für Wärme in der SUN-Region
  • 22. 5 Potenziale für Wärme nach Gebietskörperschaften
  • 26. 6 Drei Ausbauszenarien für die Wärmeversorgung 1. Business as usual 2. Beschleunigter EE-Ausbau 3. Maximaler Ausbau von Wärmepumpen (WPmax)
  • 27. 6 Business as usual • Aktuelle Markttrends, technologische Entwicklungen und Modernisierungsraten für Heizsysteme werden für die zukünftige Entwicklung fortgeschrieben • 3 % p. a. Modernisierungsrate der Wärmeerzeuger, davon — ca. 2,9 % Biomasse — ca. 9 % Wärmepumpe — ca. 3400 kWth p. a. Solarthermie in Kombination mit anderen Wärmeerzeugern
  • 28. 6 Business as usual • Durch Effizienzsteigerung sinkt der Wärmebedarf um ca. 21 %. • Der EE-Anteil an der Wärmeversorgung Nordhessens erhöht sich von ca. 10 % auf ca. 17 %. • Selbstversorgungsanteil kann von ca. 12 % auf ca. 20 % gesteigert werden
  • 29. 6 Beschleunigter EE-Ausbau • Beschleunigte Modernisierung der Heiztechnologien (5 % p. a.) • Anteil regenerativer Energieträger an Neuinstallationen im Vergleich zum Business-as-usual-Szenario wird verdoppelt: — ca. 6 % — ca. 18 % Biomasse Wärmepumpe • Daraus resultiert: Absolute EE-Zubauzahlen verdreifachen sich. • ca. 11.300 kWth p.a. Solarthermie in Kombination mit anderen Wärmeerzeugern
  • 30. 6 Beschleunigter EE-Ausbau • Durch Effizienzsteigerung sinkt der Wärmebedarf um ca. 21 %. • Der EE-Anteil an der Wärmeversorgung Nordhessens erhöht sich von ca. 10 % auf ca. 28 %. • Selbstversorgungsanteil erhöht sich von ca. 12 % auf ca. 30 %.
  • 31. 6 Maximaler Ausbau von Wärmepumpen • Deckung des Wärmebedarfs ausschließlich über Wärmepumpen. • Grundlage bildet die Annahme, dass zu einem unbestimmten Zeitpunkt der gesamte Gebäudebestand wärmegedämmt ist. • Kopplung mit Stromerzeugung aus EEmax-Szenario aus der Teilstudie Strommarkt (alle Potenziale zur Stromerzeugung aus EE werden genutzt).
  • 32. 6 Maximaler Ausbau von Wärmepumpen • Durch Effizienzsteigerung sinkt der Wärmebedarf um ca. 50 %. • EE-Anteil an der Wärmeerzeugung: 77 % • Herkunft des Stroms für Wärmepumpen: — 38 % EE-Überschussstrom aus der Region — 62 % Stromimport
  • 33. 6 Maximaler Ausbau von Wärmepumpen Auswirkung auf Residuallast: • Spitzen von ÜberschussStrom verringern sich um ca. 6 %. • Maximale Stromlücke (Spitzenlast) verdoppelt sich von ca. 500 MWel auf ca. 1.000 MWel.
  • 34. 6 Vergleich der drei Ausbauszenarien • Business as usual: EE-Ausbau sehr langsam. • Beschl. EE-Ausbau: trotz Verdreifachung des Zubaus kein wesentlicher Beitrag zur Energiewende. • Max. Ausbau von Wärmepumpen: hoher EE-Anteil, aber deutlich erhöhte Spitzenlast.
  • 36. 7 Zusammenfassung (1/2) • Sowohl der Strombedarf (bis zu 157 %) als auch der Wärmebedarf * (bis zu 104 %) in Nordhessen kann aus dezentralen erneuerbaren Energien gedeckt werden. • Bei einer Fortschreibung der aktuellen Heizungsaustauschraten und der dabei bevorzugten Technologien wird eine zügige Transformation zu einer überwiegend erneuerbaren Energieversorgung nicht gelingen. * ohne industriellen Prozesswärmebedarf
  • 37. 7 Zusammenfassung (2/2) • Zentraler Baustein der Energiewende im Wärmemarkt ist die Energieeinsparung. • Die Verknüpfung von Strom und Wärme kann einen relevanten Beitrag zur zügigen Transformation des Energiesystems leisten. Sie erhöht aber auch die Komplexität der Aufgabe. • Die Beschränkung auf eine Technologie zur Wärmeversorgung wie der Wärmepumpe ist aufgrund der negativen Auswirkungen auf den Stromsektor (Erhöhung der Spitzenlast) nicht sinnvoll.
  • 39. 8 Ausblick • Zusätzlich zum regionalen Strom- und Wärmemarkt soll auch die Energieversorgung des Verkehrsmarktes untersucht werden. • Weitere Untersuchungsgegenstände Modellregion Nordhessen: — Virtuelle Kraftwerke (VK) als zentrales Instrument der Energiewende — Vermarktungsoptionen für erneuerbare Energien — Ausbau und Betrieb der zukünftigen Netzinfrastruktur — Anforderungen aus der Kopplung Wärme-/Strommarkt an die Wärmeversorgung (sinnvoller Technologiemix) — Einbeziehung des industriellen Prozesswärmebedarfs — Verwendung von Energiespeichern zur optimierten Nutzung von Erzeugungsüberschüssen Strom/Wärme