Kampf der Studien · 2015. 1. 15. · Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen Umweltbundesamt Fraunhofer IWES Regionenverbund 100 % EE in 2050 Jul 10 SRU (2011) 1.a

Technische Universität München

Kampf der Studien

Dipl.-Ing. Alexander ButtlerLehrstuhl für EnergiesystemeTechnische Universität München

VDI Vortragsreihe Kraftwerkstechnik, 12.01.2015

2 | Kampf der Studien | Alexander Buttler | 12.01.2015


Gliederung

• Einleitung

– Klimapolitische Zielvorgaben in D und EU

– Maßnahmen zur Reduktion der THG-Emission

• Zentrale Fragestellungen von Energiesystemstudien

• Studienüberblick

• Beispiel Methodik

• Auswertungen der Studien und Vergleich mit der historischen Entwicklung

– Reduktion der THG-Emissionen

– CO2- und Brennstoffpreise

– Entwicklung der Bruttostromnachfrage

– Ausbau der erneuerbaren Energien (EE)

– Import/Export

– Auswirkungen auf konventionelle Kraftwerke

– Speicherbedarf

– Handlungsempfehlungen

• Zusammenfassung



Klimapolitische Ziele in Europa und Deutschland

Daten: UBA 2014, EEA via Eurostat 2014

Energiekonzept der Bundesregierung (2010)

EU Klima und Energiepaket (2009), EU Klimagipfel (2014)

Einleitung |

-25

-40

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-95

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0

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Deutschland EU-28 Ziele EU Ziele D

THG-Reduktion ggü. 1990 [%]



Energiewirtschaft39%

Verkehr16%

Verarbeitendes Gewerbe

12%

Haushalte11%

Landwirtschaft7%

Industrieprozesse7%

Sonstiges8%

Gesamt 2013: 950,8 Mio. t CO2-Äquivalent

Welche Maßnahmen sind notwendig?

Wärme

Daten: UBA Emissionssituation, Stand 25.02.2014

Einleitung |

Strategien zur Reduktion der THG-Emissionen:

• Energieeinsparung (z.B. Effizienzsteigerungen)

• Erhöhung des EE-Anteils (am PEV)

• Inländischer Ausbau der EE-Kapazitäten

• Import von EE (Treibstoffe, Strom)

• Carbon Capture and Storage (CCS)

• Kernenergie

• Substitution von CO2-intensiven fossilen

Brennstoffen (z.B. Kohle durch Erdgas)

THG-Emissionen in Deutschland nach Quellkategorien:

Strom



Besonderheiten des Stromsektors

• Stromerzeugung ist einer der größten THG-Emittenten (ca. 33 % an Gesamtemissionen 2013)

• Stromanwendungen ermöglichen Substitution fossiler Brennstoffe in anderen Sektoren:

– Chemieindustrie: Chemiegrundstoffe (Power-to-X)

– Verkehrssektor: Flüssige und gasförmige Treibstoffe (Power-to-X), Elektromobilität

– Wärmesektor: Wärmepumpen, Power-to-Heat

• Systemstabilität erfordert Echtzeitausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch

• Schwierige Speicherung von Strom

Vielzahl an Stromsektorstudien zur detaillierten (dynamischen) Analyse der Versorgungssicherheit (inkl. Regelleistung)

Einleitung |



Energiesystemstudien sind bedingte Prognosen basierend auf Szenarien

Zentrale Fragestellung |

Handlungsempfehlungen: Politische Maßnahmen, Forschungsbedarf

Beeinflussung der Entwicklung der Energiewende

EE Ausbau

EE Import

Stromnachfrage

Bedarf Speicher

Bedarf konv. Kraftwerke

Gesamtkosten

Flexibilisierung ES

THG-ReduktionZielvorgabe*

Annahmen*

CO2-Preis

Auslastung konv. KraftwerkeErgebnis

Netzausbau

*Können auch als Ergebnis angesehen werden

Ziel: Versorgungssicherheit

Brennstoffpreise, …

Regelenergiebedarf,…



Untersuchte Studien und Szenarien (I)

Kurztitel Name der Studie AuftraggeberBearbeitende Institute

Szenarien Beschreibung Datum

Modell Deutschland -Klimaschutz bis 2050: Vom Ziel her denken

WWF DeutschlandPrognos AG, Öko-Institut

Referenz Buisness as UsualOkt 09WWF (2009) Innovation ohne CCS Verstärkte Effizienz und EE ohne CCS

WWF (2009) CCS Innovation mit CCS Verstärkte Effizienz und EE mit CCS

Energieszenarien für ein Energiekonzept der Bundesregierung / Energieszenarien 2011

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Prognos AG, EWI, GWS

Referenz Buisness as usal

August 2010 /

Juli 2011

BMWi (2011) I A

Unterschiedliche Annahme der Laufzeitverlängerung der Kernenergie (I bis IV: 4-28 Jahre) und Nachrüstkosten (A/B)

II AIII AIV AI BII BIII BIV B

UBA (2010) Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen

Umweltbundesamt Fraunhofer IWES Regionenverbund 100 % EE in 2050 Jul 10

SRU (2011) 1.a

Wege zu 100 % erneuerbaren Stromversorgung

Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU)

DLR, Fraunhofer IWES

1.a Selbstversorgung isoliert, Nachfrage 500 TWh

Jan 11

1.b Selbstversorgung isoliert, Nachfrage 700 TWh

2.1.aNetto-Selbstversorgung, Austausch DK/NO, 500 TWh

2.1.bNetto-Selbstversorgung, Austausch DK/NO, 700 TWh

SRU (2011) 2.2.a 2.2.a Maximal 15 % Nettoimport aus DK/NO, 500 TWh2.2.b Maximal 15 % Nettoimport aus DK/NO, 700 TWh3.a Maximal 15 % Nettoimport aus EUNA, 500 TWh3.b Maximal 15 % Nettoimport aus DK/NO, 500 TWh

BMU (2012) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global

Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

DLR , Fraunhofer IWES, IFNE

2011 A E- und H2-Kfz

Mrz 12

2011 B Szenario A aber mit SNG statt H22011 C 100 % E-Kfz2011 A' Sz. A mit geringerer Effizienzsteigerung

THG 95 THG-Reduktion um 95 %

13 Studien, 42 Szenarien: Auswahl basierend auf Relevanz und Vielfalt

Studienüberblick|



Untersuchte Studien und Szenarien (II)Kurztitel Name der Studie Auftraggeber Bearbeitende Institute Szenarien Beschreibung Datum

Energiespeicher für die Energiewende -Speicherungsbedarf und Auswirkungen auf das Übertragungsnetz für Szenarien bis 2050

VDE ETG IAEW RWTH Aachen u.a.

Variannte Akein Speicherzubau (EE-Abregelung + flexible KW)

Jun 12Variannte B Max. KurzzeitspeicherzubauVariannte C Max. LangzeitspeicherzubauVariannte D Max. Kurz- und Langzeitspeicherzubau

VDE (2012) Variante Ehalbierte Einspeicherleistung von D (teilw. Abregelung)

RWE dena (2012)Integration der erneuerbaren Energien in den deutsch-europäischen Strommarkt.

RWE AG dena, IAEW RWTH Aachen EE basierend auf BMU Leitszenario 2009 Aug 12

BEE (2013)Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisung aus erneuerbaren Energien

Bundesverband Erneuerbare Energie e.V.

BET Apr 13

BMWi (2014) Trend Entwicklung der Energiemärkte -Energiereferenzprognose

BMWi EWI, GWS, PrognosTrendszenario

Fortschreibung aktueller Trends im Bereichh Politik usw. Jun 14

BMWi (2014) Ziel Zielszenario Einhaltung der Ziele des Energiekonzepts

BMU(2014) AMS

Klimaschutzszenarien 2050 BMU Öko-Institut, Fraunhofer ISI

AMSEntwicklung basierend auf aktuellen Maßnahmen, EE-Ausbau nach BMU-Leitstudie 2011 Sz. A

Aug 14BMU(2014) KS 80 KS 80

Zielszenario Energiekonzept mit 80 % EE in 2050,EE- Ausbau nach BMU-Leitstudie 2011 Sz. A

BMU(2014) KS 90 KS 90Zielszenario Energiekonzept mit 90 % EE in 2050

Agora (2014)Stromspeicher in der Energiewende

Agora Energiewende

FENES OTH Regensburg, IAEW RWTH Aachen, ef. Ruhr GmbH, ISEA RWTH Aachen

FlexibelBasierend auf NEP 2013

Sep 14

unflexibel

BMWi (2014) Roadmap

Roadmap Speicher BMWiFraunhofer IWES, IAEW RWTH Aachen, Stiftung Umweltenergierecht

basierend auf BMU (2012) und aktueller Entwicklung

Nov 14

Netzentwicklungsplan Strom 2014 - Zweiter Entwurf der Übertragungsnetzbetreiber

ÜNB: TransnetBW, 50Hertz, Amprion, Tennet

k.A.

A 2024 moderater Anstieg EE

Nov 14NEP (2014) B 2024 mittlerer Anstieg EE

B 2034 Fortschreibung B 2024 um 10 Jahre

C 2024 Starken Anstieg EE (abgeleitet aus den Zielen der Bundesländer)

Studienüberblick|



Methodik – Generelles Vorgehen

Quelle: BMU 2012

Methodik |

Ermittlung/Annahme der

zukünftigen Nachfrage

Skalierung der heutigen Last auf

zukünftige Nachfrage

Exogene (teilw. kostenoptimierte)

Vorgabe des EE-Ausbaus

Berechnung der Residualllast: =

Last – Wind – PV – Sonstige

nicht regelbare Einspeisung

Kostenoptimierte

Ausgleichsmaßnahmen zur

Gewährleistung der

Versorgungssicherheit

Analyse basiert meistens auf einem exemplarischen Jahr



Methodik – Räumlich und zeitlich aufgelöste Simulation fluktuierender EE

Quelle: BMU 2012

Methodik |

Übersetzung in Einspeisung durch Leistungskennlinien



Methodik – EE-Ausbau, Import/Export

Quelle: BMU 2012

Methodik |

2020 2050

Optimierter geographischer Ausbau in Deutschland



Methodik – Ausgleichsmaßnahme DSM

Quelle: BMU 2012

Methodik |

2050

Große Lastmanagementpotential werden zukünftig bei Elektromobilität

gesehen

Verschiebeleistung und Verschiebezeit entscheidend



Methodik – Kostenoptimierter Speicher- und Kraftwerkseinsatz

Quelle: BMU 2012

Methodik |

2050

Volkswirtschaftlich optimierte Deckung der Residuallast unter

Berücksichtigung technischer Limitierungen (z.B. Anfahrdauer)







EE Ausbau

EE Import

Stromnachfrage

Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*

CO2-Preis


Netzausbau







0

10

20

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40

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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Red

ukt

ion

der

TH

G-E

mis

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nen

ggü

. 19

90

[%

]

IST 1990-2013

Ziele D (Gesamt)

BEE (2013)

RWE dena (2012)*

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

ÜNB (2014) NEP-B *

BMWi (2014) Trend

BMW (2014) Ziel

Zielvorgabe/Ergebnis: Rückgang der (Energiebedingten) THG-Emissionen

*nur CO2 Emissionen

des Stromsektors

THG-Reduktion

THG-Emissionen |E

rge

bn

is

Studien übertreffen die Mindestziele der THG-Emissionsreduktion

© LES 2015



0

10

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

THG

-Re

du

ktio

n [

%]

EE-Anteil am BSV [%]

IST 1990-2013

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

Benötigter EE-Anteil zur Reduktion der THG-Emissionen

Ursachen für Spreizung:

- Annahmen zu Rückgang des Bruttostromverbrauchs

- Zusammensetzung des restlichen Kraftwerkparks (inkl. CCS)

- Stromexport von konventionellen Kraftwerken

THG-Emissionen |

© LES 2015







EE Ausbau

EE Import

Stromnachfrage

Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*


Netzausbau





CO2-Preis



Entwicklung der CO2-Preise

Steuerung der THG-Reduktion durch CO2-Preis:

Notwendiger CO2-Preis zur Einhaltung der THG-Reduktionsziele

0

20

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200

2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

[€/t

CO

2]

RWE dena (2012)

BMU (2012) Preispfad A

BMU (2012) Preispfad B

BMWi (2011)

WWF (2009) - /CCS

BMWi (2014) Trend /Ziel

Agora (2014)

BMU (2014) AMS

BMU (2014) KS80

BMU (2014) KS90

Hist. Werte

CO2-Preis, Merit-Order |

CO2-Preis

© LES 2015



Auswirkung auf die Auslastung einzelner Kraftwerke

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

2005 2015 2025 2035 2045

Gre

nzk

ost

en

Ste

inko

hle

ab

zgl.

Erd

gas

[€/M

Wh

]

RWE dena (2012) BMU (2012) Preispfad ABMU (2012) Preispfad B BMWi (2011)WWF (2009) - /CCS BMWi (2014) Trend /Ziel

Agora (2014) BMU (2014) AMSBMU (2014) KS80 BMU (2014) KS90

Bsp: Merit-Order 2050 BMU(2012) Preispfad B

ΔSK-EG

𝑩𝒓𝒆𝒏𝒏𝒔𝒕𝒐𝒇𝒇𝒑𝒓𝒆𝒊𝒔 +𝑬𝒎𝒊𝒔𝒔𝒊𝒐𝒏𝒔𝒇𝒂𝒌𝒕𝒐𝒓∗𝑪𝑶𝟐−𝑷𝒓𝒆𝒊𝒔

η𝒆𝒍

Erdgas bis 2050 niedrigere Grenzkosten als SK

Nachrangiger Einsatz CO2-intensiver fossiler

Brennstoffe

>0: Erdgas-KW vor Steinkohle-KW

<0: Steinkohle-KW vor Erdgas-KW

Differenz zwischen Steinkohle und Erdgas-KW

hinsichtlich Brennstoff- und CO2-Kosten

(~Stellung in Merit-Order) mit ηSK=42 %; ηEG=54 %:

CO2-Preis, Merit-Order |



CO2-Preis

EE Ausbau





EE Import

Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*


Netzausbau





Stromnachfrage



425

475

525

575

625

675

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Bru

tto

stro

mve

rbra

uch

[T

Wh

]

Bruttostromverbrauch 1990-2013

Ziele Energiekonzept

BEE (2013)

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF CCS (2009)

WWF (2009)

SRU 1.a/2.2 a (2011)

UBA (2010)

ÜNB NEP-A/B/C (2014)

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

2013: -3 %600 TWh/a

2020:-10 %

2050:-25 %

Referenzjahr 2008

Effizienzsteigerung vs. Neue

Verbraucher (E-Kfz,

Raumklimatisierung)

Stromnachfrage Annahmen zur Entwicklung der Bruttostromnachfrage

Stromnachfrage|

© LES 2015



Stromnachfrage

CO2-Preis





EE Import

Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*


Netzausbau





EE Ausbau



Entwicklung des EE-Anteils

EE-Ausbau |

0

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20

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40

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100

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

EE-A

nte

il am

Bru

tto

stro

mve

rbra

uch

[%

]

EE-Anteil Bruttostromverbrauch 1990-2013Zielsetzung des Energiekonzepts 2010

BEE (2013)

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

2020:35 %

2013:25,4 %

2050:80 %

2030:50 %

2040:65 %

Studien übertreffen die Zielsetzung des Energiekonzepts

© LES 2015



Benötigte installierte EE-Leistung in Abhängigkeit des EE-Anteils

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

EE-L

eist

un

g G

esa

mt

[GW

]

EE-Anteil am BSV [%]

IST 1990-2013

BEE (2013)

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

Ursachen für große Spreizung:

- Annahmen zu Rückgang des Bruttostromverbrauchs

- EE-Integration (Speicherverluste)

- Zusammensetzung des EE-Mixes und angenommener Jahresnutzungsgrad der EE

- EE-Import (ausländische EE-Erzeugungskapazitäten)

EE-Ausbau |

© LES 2015



Ausbaukorridore der EE gemäß EEG 2014 im Vergleich zu historischem Ausbau

2500 MW/a für Wind (Netto) und PV (Brutto)

100 MW/a für Biomasse (Brutto)

Drosselung des Biomasse- und PV-Ausbaus

Wind lag 2004-2012 unter 2,5 GW-Marke

EE-Ausbau |

EE-Ausbau



400

500

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700

800

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1000

1100

1200

1300

2000 2010 2020 2030 2040 2050

Vo

lllas

tstu

nd

en

[h

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0

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40

60

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100

120

140

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Leis

tun

g [G

W]

Ausbau der erneuerbaren Energien: PV

Aktuelle Entwicklung übertrifft

viele Szenarien

Auslastung: 800 – 1000 VLh

ZielEEG-2014

EE-Ausbau |

Unsicherheit unterjähriger Zubau

EE-Ausbau

0

100

1970 1990 2010 2030 2050Vo

lllas

tstu

nd

en [

h/a

]

IST 1990-2013 BEE (2013) RWE dena (2012)*BMU (2012) BMWi (2011) WWF (2009) CCSWWF (2009) SRU (2011) 1.a SRU (2011) 2.2.aUBA (2010) ÜNB (2014) NEP-B * BMWi (2014) TrendBMW (2014) Ziel

© LES 2015

© LES 2015



0

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20

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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Leis

tun

g [G

W]

Ausbau der erneuerbaren Energien: Wind-Onshore

ZielEEG-2014

EE-Ausbau |

EE-Ausbau

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

2000 2010 2020 2030 2040 2050

Vo

lllas

tstu

nd

en

[h

/a]

Aktuelle Entwicklung übertrifft viele

Szenarien

Angenommener Nutzungsgrad liegt

über historischen Werten0

100

1970 1990 2010 2030 2050Vo

lllas

tstu

nd

en [

h/a

]


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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Leis

tun

g [G

W]

Ausbau der erneuerbaren Energien: Wind-Offshore

Ausbau Wind-Offshore liegt unter den

Erwartungen

Deutliche Zunahme der

Volllaststunden (2050: 3800-4400 VLh)

ZielEEG-2014

EE-Ausbau |

EE-Ausbau

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

2005 2015 2025 2035 2045

Vo

lllas

tstu

nd

en

[h

/a]

Wind-Offshore

Dänemark

0

100

1970 1990 2010 2030 2050Vo

lllas

tstu

nd

en [

h/a

]


© LES 2015 © LES 2015



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5

10

15

20

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30

35

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Leis

tun

g [G

W]

Ausbau der erneuerbaren Energien: Biomasse

Einsatz überwiegend im Mittel-

und Grundlastbereich

Ausnahme: 100%-Szenarien mit

Spitzenlasteinsatz

ZielEEG-2014

EE-Ausbau |

EE-Ausbau

0

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2000

3000

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Vo

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tstu

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[h

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0

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1970 1990 2010 2030 2050Vo

lllas

tstu

nd

en [

h/a

]


© LES 2015 © LES 2015



Stromnachfrage

CO2-Preis

EE Ausbau





Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*


Netzausbau





EE Import



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100

150

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Leis

tun

g [G

W]

1990-2013

BMWi (2011)

RWE dena (2012)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMW (2014) Ziel

BEE (2013)

BMU (2012)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

BMWi (2011)

RWE dena (2012)

Direktimport von Strom aus erneuerbaren Energien

D wird vom Exporteur zum

Importeur

Ausnahme ÜNB NEP und BMWi

(2014) mit z.T. hohem Export

EE-Import |

EE-Importsaldo:

Gesamtimportsaldo:

EE-Import

© LES 2015



Anteil des Import am Bruttostromverbrauch 2050

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

IST 2013 BMWi(2014)Trend

WWF(2009)

CCS

BMWi(2011)

BMWi(2014)

Ziel

WWF(2009)

BMU(2012)

RWEdena

(2012)

SRU(2011)

1.a

SRU(2011)2.2.a

UBA(2010)

An

teil

am B

rutt

ost

rom

verb

rau

ch

EE-Import

Import fossil/k.A.

Import 2050 bis zu 23 % des

Bruttostromverbrauchs

EE-Import |

© LES 2015



Stromnachfrage

CO2-Preis

EE Ausbau





EE Import

Bedarf Speicher Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*

Ergebnis

Netzausbau





Bedarf konv. Kraftwerke Auslastung konv. Kraftwerke



Bedarf an konventionellen Kraftwerken

Ab 2020: gesicherte Leistung der konventionellen KW unter Jahreshöchstlast

Bedarf von 20-60 GW in 2050 für Versorgungssicherheit (überwiegend Gas)

Konventionelle Kraftwerke |

Kraftwerke

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W]

1990-2013

BEE (2013)

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)*

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMW (2014) Ziel

Jahreshöchstlast: ca. 86 GW

*Gaskraftwerke zur

Verstromung von EE-H2© LES 2015



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Ges

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1991-2013

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

Installierte Gesamtleistung

Installierte Gesamtleistung übertrifft die Jahreshöchstlast deutlich

Starker Anstieg seit 2000

Jahreshöchstlast


© LES 2015



Analyse der Residuallast 2012 und 2013

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Le

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ng

[G

W]

Stunden im Jahr [h]

Konst. EE Wind+PV Last Residuallast

2012

Last 87,2 GWRes1 85,3 GWRes2 77,7 GW

Last 37,4 GW

Res1 17,0 GWRes2 9,5 GW

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Le

istu

ng

[G

W]

Stunden im Jahr [h]

Konst. EE Wind+PV Last Residuallast

2013

Last 88,5 GWRes1 82,1 GWRes2 74,2 GW

Last 37,8 GW

Res1 19,6 GWRes2 11,7 GW

Wind+PV senken Spitzenlast

nur geringfügig

Deutliche Reduzierung der

minimalen Residuallast

2012

2013


© LES 2015

© LES 2015



Konventionelle Kraftwerke: Braunkohle

Sehr starker Rückgang der

installierten Leistung

Hohe Auslastung 2050 nur mit CCS

Kraftwerke

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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050V

olll

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de

n [

h/a

]

CCS BMWi (2011) CCS WWF CCS (2009)


© LES 2015

© LES 2015



Konventionelle Kraftwerke: Steinkohle

Moderater Rückgang der installierten

Leistung

Ohne CCS Auslastung <3000 VLh ab

2040

Kraftwerke

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Leis

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Vo

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en

[h

/a]

CCS WWF CCS (2009) CCS BMWi (2011)


© LES 2015 © LES 2015



Konventionelle Kraftwerke: Gas

Zubau von Gaskraftwerken

Sinkende durchschnittliche

Auslastung (2050 < 2000 VLh)

Kraftwerke

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Vo

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en

[h

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1970 1990 2010 2030 2050Vo

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nd

en [

h/a

]



© LES 2015 © LES 2015



DKW SK 2013

DKW BK 2013

GUD 2013

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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Spez

. Str

om

gest

ehu

ngs

vollk

ost

en [€

/MW

h]

Volllaststunden im Jahr [h]

SK DKW 2013

BK DKW 2013

GUD 2013

SK DKW 2050

BK DKW 2050

BK CCS 2050

GUD 2050

Spotmarktpreis Phelix Day Ahead 2013

Auswirkungen des Auslastungsrückgangs auf die Stromgestehungsvollkosten

Annahmen:

Lebensdauer 40-45

a

Zinssatz: 6 %

2013

CO2: 4,5 €/t

BK: 5 €/MWh

SK: 10 €/MWh

EG: 28 €/MWh

2050

CO2: 75 €/t

BK: 5 €/MWh

SK: 17 €/MWh

EG: 32 €/MWh

VLh: 2000

Sinkende Auslastung erschwert Wirtschaftlichkeit der

konventionellen Kraftwerke


© LES 2015

Auslastung

CO

2, B

ren

nsto

ff



Stromnachfrage

CO2-Preis

EE Ausbau





EE Import


Gesamtkosten


Annahmen*


Netzausbau





Bedarf Speicher

Flexibilisierung ES



Bestimmende Faktoren des Stromspeicherbedarfs

Quelle: Sterner 2014

Speicherbedarf |



Zusätzlicher Speicherbedarf zu bestehenden Pumpspeichern

Zusätzlicher Speicherbedarf zur EE-Integration erst nach 2030

Voraussetzung: Flexibilisierung des ES (DSM, stromgeführte KWK,…) und Netzausbau

Speicherbedarf 2020 2030 2040 2050WWF (2009) CCS - x x xBMWi (2014) Trend - - - -BMWi (2011) - - - -BMWi (2014) Ziel - - - -VDE (2012) E - xWWF (2009) - x x xBMU (2012) - o1 o1 o1BMWi Roadmap (2014) A - -* -BMWi Roadmap (2014) B o2BMWi Roadmap (2014) C xAgora (2014) - -** xSRU (2011) 2.2.a xSRU (2011) 1.a xUBA (2010) x

1 Aufnahme von Überschüssen durch Wasserstoffelektrolyse für den Mobilitätssektor

2 Abhängig von Annahmen zu DSM

EE

-Ante

il

Speicherbedarf |

Speicher

*2030: Batteriespeicher für Primärregelenergiemarkt gesamtwirtschaftlich sinnvoll

(BMWi Roadmap 2014)

**Netzentlastung durch Hausspeicher zur Eigenverbrauchsoptimierung nur bei ausreichender

Dimensionierung (Agora 2014)



Identifizierter Speicherbedarf 2050

0,0 0,0

40,0*

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

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15,0

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0,0

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0,0 0,0 0,05,5

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W]

Langzeitspeicher [GW] Nicht spezifiert Kurzzeitspeicher [GW]

BMWi (2011)

WWF (2009)

CCS

WWF (2009)

BMWi (2014) Trend

BMU (2012)

SRU (2011) 2.2.a

BMWi (2014)

Ziel

BMWi Rdmp (2014)

A

BMWiRdmp(2014)

B

BMWiRdmp(2014)

C

VDE (2012)

E

Agora (2014)

UBA (2010)

SRU (2011)

1.a

Berücksichtigte SpeicheroptionenH2 (Langzeit) x x x x x x x x xDruckluft (Kurzzeit) o x o o o x x o xBatterie (Kurzzeit) o o x x x o x o o

Speicherbedarf |

Speicher

Einfluss DSM

Einfluss CSP

* Pauschale H2-

Produktion für den

Mobilitätssektor

Import/Export x x x x x x x x x x o x o oDSM [GW] 3,2 o o 18TWh ~20-50 o 26TWh ~27 ~0-27 ~0-29 50 14,3 41,5 o

Wind+PV [GW] 99,9 73,5 100,1 160 150,01 97,8 166 164,2 164,2 198,8 144,3 279 225 192,2

Regelbare CSP EUNA [GW] 50-75 ja ja 0 79,6 0 k.A. 79,6 25,1 0 0 0 k.A. 0Abregelung [TWh] k.A. k.A. k.A. k.A. k.A. 0,5 k.A. 1 2,5-4,2 4,9-6,1 0,4 14-32 1,2 53,3

Flexibilitätsbedarf und -optionen

Vorrangiger Bedarf von Kurz- oder Langzeitspeicher umstritten

© LES 2015



Eingespeicherte Überschussstrommenge und Speicherkapazität

BMWi (2011)

WWF (2009)

CCS

WWF (2009)

BMWi (2014) Trend

BMU (2012)

SRU (2011) 2.2.a

BMWi (2014)

Ziel

BMWi Rdmp (2014)

A

BMWi Rdmp (2014)

B

BMWi Rdmp (2014)

C

VDE (2012)

E

Agora (2014)

UBA (2010)

SRU (2011)

1.a

0

46

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110*

7

0 0 k.A. k.A.

8**

41

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120

Ein

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eic

he

run

g [T

Wh

]

* Pauschale H2-Produktion für den Mobilitätssektor ** Benötigte Speicherkapazität

1,4**

Speicherbedarf |

Speicher

Überschussstrommenge bis zu 10-15 % des

Bruttostromverbrauchs

© LES 2015



Stromnachfrage

CO2-Preis

EE Ausbau





EE Import

Bedarf Speicher


Gesamtkosten

Flexibilisierung ES


Annahmen*


Netzausbau







Maßnahmen für Versorgungssicherheit

Quelle: BEE 2013

Handlungsempfehlungen |

Netzausbau und Europaweite Strategie

Änderungen der Marktbedingungen für Regelenergie



Zusammenfassung

• Benötigter CO2-Preis für 80%-THG-Reduktion: >75 €/t CO2

• 80 % EE benötigt eine Verdopplung der Installierten EE-Leistung (ca. 150-200 GW)

• Ausbau Wind-Onshore unterschätzt, Wind-Offshore überschätzt

• Deutschland wird vom Strom-Exporteur zum Importeur

• Bedarf an konventionellen Kraftwerken sinkt bis 2050 auf 20-60 GW bei stark sinkender Auslastung (Wirtschaftlichkeit?)

• Speicherbedarf erst nach 2030 (>60 % EE) bei ausreichender Flexibilisierung des Energiesystems

• Zusätzliche Stromspeicher (~10-30 GW) zur EE-Integration bei >80 % EE-Anteil benötigt (Kurzzeit- / Langzeitspeicher?)

Zusammenfassung |


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Dipl.-Ing. Alexander ButtlerLehrstuhl für EnergiesystemeTechnische Universität München

VDI Vortragsreihe Kraftwerkstechnik, 12.01.2015

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IST2013

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WWF(2009)

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WWF(2009)

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teil

Sonstige Konv.

Gas

Steinkohle

Braunkohle

Geothermie und Sonstige

Laufwasser

Biomasse

Wind-OFF

Wind-On

PV

Import fossil/k.A.

EE-Import

Anteil Import

EE-Anteil

Vergleich 2050 - Struktur der Stromerzeugung

Ergebnisse |

EE-Import bis zu 20 % der

Bruttostromerzeugung

© LES 2015



Vergleich 2050 - Installierte Leistung

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RWE

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(2012)

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(2012)

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WWF

(2009)

CCS

WWF

(2009)

SRU

(2011)

1.a

SRU

(2011)

2.2.a

UBA

(2010)

BMWi

(2014)

Trend

BMWi

(2014)

Ziel

Le

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ng

[G

W]

PV Wind-On Wind-OFFBiomasse Laufwasser Geothermie und SonstigeBraunkohle Steinkohle GasSonstige Konv.


Jahreshöchstlast

Gesamt Jahr 2013

Gesamt Jahr 2000

© LES 2015



Ausbau der erneuerbaren Energien: Geothermie

2013 nur 31 MW installierte Leistung

Einsatz im Grund- und

Mittellastbereich

EE-Ausbau |

EE-Ausbau

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h/a

]


© LES 2015 © LES 2015



Beispiel BMWi(2010): Beiträge der einzelnen Maßnahmen zur THG-Reduktion

CO2-Reduktion im Stromsektor im Jahr 2050 ggü. 2008 in BMWi (2010)

EE Ausbau EE ImportStromnachfrage CCS

Nutzung aller Möglichkeiten zur Erreichung des THG-Reduktionsziels

Randbedingungen |

THG-Reduktion



0

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2

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2000 2010 2020 2030 2040 2050[€

/GJ]

Entwicklung der Brennstoffpreise

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2000 2010 2020 2030 2040 2050

[€/G

J]

RWE dena (2012) BMU (2012) Preispfad A

BMU (2012) Preispfad B BMWi (2011)

WWF (2009) - /CCS BMWi (2014) Trend /Ziel

Agora (2014) BMU (2014)

Hist. Werte

Erdgas SteinkohleZum Teil unklar ob Werte auf Hu bezogen

Anstieg der Erdgas- und Steinkohlepreise

moderat bis stark

Randbedingungen |

Brennstoffpreis

© LES 2015 © LES 2015



Überblick Brennstoff- und CO2-Preise

CO2- und Brennstoffpreis bestimmt Zusammensetzung des konventionellen

Kraftwerksparks und Konkurrenzfähigkeit ggü. EE-Anlagen

Str

om

geste

hungskoste

n

konv.

Kra

ftw

erk

e

Niedrig

Hoch

Randbedingungen |

Kosten Steinkohle Erdgas CO2

RWE dena (2012)

Agora (2014)

BMWi (2014) Trend /Ziel

BMWi (2011)

BMU (2012) Preispfad B

BMU (2014) AMS

WWF (2009) - /CCS

BMU (2012) Preispfad A

BMU (2014) KS80

BMU (2014) KS90

Hoch Moderat Niedrig



Detaillierte Betrachtung des Nachfragerückgangs

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1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012

Bru

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uch

[TW

h]

Eigenverbrauch, Netzverluste, Speicher Industrie Verkehr GHD Haushalte

2020 2030 2040 2050 2050

BMWi (2011) BMWi (2011) BMWi (2011) BMWi (2011) BMU (2012)

Eigenverbrauch Kraftwerke + Sonstige Umwandlungsverluste Netzverluste, Speicher

-23% -29% -7%-11% -17%

101 TWh H2

+ca. 45 TWh E-Kfz

-15%

-45%

-49%

-32%

Bruttostromverbrauch stark abhängig von Entwicklung Verkehr (H2, E-Kfz)

Stromnachfrage

Randbedingungen |



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2005 2015 2025 2035 2045

Gro

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els

pre

is [

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Wh

]

BMWi (2011) BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel BMU (2014) AMS

BMU (2014) KS80 BMU (2014) KS90

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2005 2015 2025 2035 2045St

rom

gest

eh

un

gsko

ste

n [

ct/k

Wh

]

BMU (2012) Preispfad B WWF (2009)

WWF (2009) CCS VDE (2012)

Ergebnis Kosten

Preis langfristig auf heutigem Niveau durch

Lernkurveneffekte der EE

Kosten |

Gesamtkosten

Großhandelspreis inkl. EEG Stromgestehungskosten

© LES 2015

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W]

EE-Anteil [%]

1990-2013

BEE (2013)

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)*

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

Bedarf an konventionellen Kraftwerken

Bedarf von 20-70 GW in 80 % EE-Szenarien

Auswirkungen konventionelle Kraftwerke |

Kraftwerke

*Gaskraftwerke zur

Verstromung von EE-H2

© LES 2015



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0 20 40 60 80 100

Ges

amtl

eist

un

g [G

W]

EE-Anteil [%]

1991-2013

RWE dena (2012)

BMU (2012)

BMWi (2011)

WWF (2009) CCS

WWF (2009)

SRU (2011) 1.a

SRU (2011) 2.2.a

UBA (2010)

ÜNB (2014) NEP-B

BMWi (2014) Trend

BMWi (2014) Ziel

Vergleich 2050 - Installierte Leistung

Ergebnisse |


Jahreshöchstlast

© LES 2015

Documents

Kampf der Studien · 2015. 1. 15. · Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen Umweltbundesamt Fraunhofer IWES Regionenverbund 100 % EE in 2050 Jul 10 SRU (2011) 1.a