Prof. Dr.-Ing. Peter Birkner,
Honorarprofessor Bergische Universität Wuppertal,
Geschäftsführer House of Energy e.V., Kassel
Energiewende in der Region –
Muster, Optionen, Herausforderungen, Projekte
Regionalverband FrankfurtRheinMain, 2. November 2016
Studium der Elektrotechnik (Energietechnik) und Dissertation
an der Technischen Universität München (Dipl.-Ing., Dr.-Ing.)
RWE Group
Lechwerke AG, Augsburg, DL (11/1987 – 12/2004; Prokurist Geschäftsbereich Netze)
Wendelsteinbahn GmbH, Brannenburg, DL (1/2004 – 12/2008; Geschäftsführer)
Vychodoslovenska energetika a.s., Košice, SK (1/2005 – 8/2008; Mitglied d. Vorstands)
RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH, Siegen, DL (9/2008 – 6/2011; Geschäftsführer)
Mitglied des Vorstands der Energietechnischen Gesellschaft ETG im VDE (seit 2013) und Sprecher
der Landesfachkommission Hessen “Energie und Umwelt“ des Wirtschaftsrats (seit 2015),
Mitglied DK CIRED (seit 2013)
Mitglied in techn. (z.B. Steag Energy Services, TÜV Nord, Maschinenfabrik Rheinhausen, Athion,
Enersis, Tenaga Nasional) und wissenschaftl. Beiräten (z.B. FoKoS Siegen, Energy Center Darmstadt)
Honorarprofessor (Elektrische Energieversorgung, seit 2013) und Lehrbeauftragter der Bergischen
Universität Wuppertal (seit 2010)
LebenslaufPeter Birkner
Zahlreiche Veröffentlichungen und Vortäge zu energiewirtschaftlichen und technischen Themen
Mainova AG, Frankfurt, DL (7/2011 – 6/2015; Mitglied des Vorstands, Ressort Technik)
House of Energy, Kassel, DL (seit 3/2016, Geschäftsführer)
Chairman DSO Committee, Eurelectric, Brüssel (6/2008 – 12/2014); DK CIGRE, Frankfurt (1/2013 – 10/2015)
Energiewende in der Region –Optionen, Herausforderungen, Projekte
House of Energy – Denkfabrik, Plattform, Forschung und Entwicklung, Wissenstransfer
Erneuerbare Energiequellen – Herausforderung Volatilität
1
2
4
3
Energiewende erfolgreich gestalten – Kopplung von Energieformen und Sektoren
Grundlagen der (deutschen) Energiewende – Generische Kurzaufnahme
5
Energiewende erfolgreich gestalten – Flexibilisierung und Dynamisierung von Netzen6
Grundsätze eines effizienten, effektiven Transformationsprozesses – Zwischenfazit7
Modulare Struktur von Energiesystemen – Koordination des Pluralismus8
Energiesysteme generisch – Technologische Aspekte und Trends9
Klimaerwärmung – Megatrend, Ressourcen, Verhalten und Verantwortungsethik
Gesetzlicher Rahmen – Voraussetzungen für Effizienz und Effektivität 10
Energiewende und Region – Akteure, Optionen, Empfehlungen 113
House of Energy e.V. –Wissenschaftliches Cluster Management
4
House of Energy
e.V.
Öffentlichkeitsarbeit
und Event-
management
Unterstützung und
Koordination
von Projekten
Transfer und
Kommunikation von
Ergebnissen
„Denkfabrik“ und
Initiierung von
Projekten
Partner / Mitglieder
Forschung
und
Entwicklung
Pilotprojekte FeldtestsBereitstellung von
Fördermitteln (Land)
F&E initiieren,
konzipieren,
unterstützen,
kommunizieren,
transferieren
F&E initiieren, fördern, durchführen
Materialien,
Komponenten,
Systeme
1
House of Energy
e.V.
House of Energy
„Weiterbildung“
House of Energy
„Beirat / Netzwerke“
House of Energy
„Veranstaltungen“
House of Energy
„Wissenstransfer“
House of Energy
„Öffentlichkeits-
arbeit“
House of Energy
„Mitglieder“
House of Energy
„Projekte“
1 2
3
5
4
6
7
House of Energy e.V. –Produkte und Aktivitätsfelder
1
5
House of Energy e.V. –Organisation der Geschäftsstelle
1
6
Geschäftsführung
• Bereich Marketing (Öffentlichkeit, Events, Internet)
• Bereich Projekte (Technologie, Förderung, Koordination)
• Bereich Wissenstransfer (Ergebnisse, Anwendung, Weiterbildung)
• Bereich Mitglieder und Netzwerke (Gremien)
• Bereich Finanzen und Administration
4
5
2
1
6
3
7
Zielgröße: Neun Mitarbeiteräquivalente
Finanzierung durch Mitglieder und Drittmittel
Anlaufförderung durch das Land Hessen
„House of Konzept“ des Landes
Hessen:
IT, Pharmacy, Logistics and Mobility,
Finance
House of Energy e.V. –Geschäftsstelle und Internetauftritt
1
Science Park Kassel
Universitätsplatz 12
34127 Kassel
www.house-of-energy.org
7
Wende hin zu regenerativen Energien –Motivation und Ausgestaltung des Transformationsprozesses
8
2
Rohstoffknappheit
Rohstoffpreise
Importabhängigkeit
Emissionen *)
Risiken KKW
Klimawandel
Andere Technologien **)
Energiewende –
Themen 2011 und heute
-
o.k.
o.k.
o.k.(Maß)
(Wirksamkeit)
*) Schadstoffe, Lärm **) Kernfusion, CCS unverändert nicht verfügbar / „Alternativlosigkeit ***) Für Energiewende sinkend
(Verhältnis)
Akzeptanz ***)
Erderwärmung ist DIE Herausforderung der Menschheit –Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe und CO2-Emissionen
9
2
Daten aus Eisbohrkernen der Antarktis (1999)
Te
mpera
ture
Quelle:
Reserven und Potentiale an
Erdgas in Mrd. m³
Das Ziel der globalen Dekar-
bonisierung beruht auf einer
grundlegenden Voraussetzung:
Die Aufnahmefähigkeit der Erd-
atmosphäre für CO2 ist der be-
grenzenden Faktor, da die Erder-
wärmung mit der CO2 Konzen-
tration in der Luft gekoppelt ist
Die Verfügbarkeit fossiler Brenn-
stoffe ist auf lange Zeit gesichert
(z.B. können die Erdgasreserven
den heutigen Bedarf in Höhe von
3,4 Milliarden m³ für mehrere 100
Jahre decken)
Es gibt vier grundlegende Szena-
rien für die Energieversorgung:
Erneuerbare Energien
Nukleare Kreislaufwirtschaft
Zu entwickelnde Technolo-
gien, wie Kernfusion
CO2-Abscheidung
Entkopplung von Wertschöpfung und Energiebedarf –Verdopplung des BIP pro Energieeinheit in 25 Jahren
2
Relative Entwicklung in Deutschland –
Deutliche Fortschritte erkennbar aber nicht ausreichend10
Qu
elle
: T
ÜV
Hesse
n
11
2
Klimawandel ist DIE Herausforderung der Menschheit –CO2-Aufnahmefähigkeit der Atmosphäre ist der begrenzende Faktor
Quelle: Prof. Edenhofer TU Berlin
Anthropogene CO2-Emissionen: 2.000 Gto *)
Verbleibende Kapazität (2011 – 2100)
bei 2,0 Grad Ziel: 1.000 Gto **)
bei 1,5 Grad Ziel: 200 Gto
Davon bereits genutzt (2011 – 2016): 200 Gto
Verbleibend für 2,0 Grad Ziel: 800 Gto
Verbleibend für 1,5 Grad Ziel: 0 Gto
Kohlekraftwerke (Betrieb und Plan): 400 Gto
Reduktionszusagen allg. (2011 – 2030): 800 Gto
Reduktionszusagen allg. (2016 – 2030): 600 Gto
Fortschreibung aktuelle Emissionen
(2011 – 2030): 700 Gto
(2016 – 2030): 500 Gto
Reserven an fossilen Brennstoffen: 15.000 Gto
*) seit 1870
**) Kollateralschäden v.a. in Inselstaaten
Einstrahlung
Sonne
Abstrahlung
Weltall
Anteil der USA und China an den weltweiten CO2-Emissionen: 17,7 % bzw. 24,6 %
Anteil Deutschlands: 2,4 %
Ethische Verantwortung einer exportorientierten und wohlhabenden Nation
aber auch langfristiger wirtschaftlicher und politischer Vorteil
Erdwärme
Durchmesser der Erde: 12.742 km
Dicke der Atmosphäre: 40 km (0,32%)
2
Verletzlichkeit der Biosphäre –Globale aber auch nationale Verantwortung
12
Klug organisierter Transformationsprozess des Energiesystems:
Wirtschaftlich akzeptable Transformationsgeschwindigkeit
Erhalt der innovativen und starken Volkswirtschaft Deutschlands
„No regret“ Maßnahmen zur Vermeidung von „Stranded Investments“
Ursache
(Emission)
Wirkung
(Schäden und
Beeinträchtigungen)
Lösung
(Technik
und
Kapital)
Betriebswirtschaftliche
(Wettbewerb und CO2-Preis)
Volkswirtschaftliche und
(Export des Problems)
Globalwirtschaftliche
(Schäden und Beeinträchtigungen
in bestimmten Regionen)
Logika führen zu unterschiedlichen
Einschätzungen der gleichen Situation
und damit zu unterschiedlichem Han-
deln. Externalitäten werden nur teil-
weise beachtet
Emission von Treibhausgasen
Globale Verantwortungsethik erforderlich! Ansätze von Paris positiv
Disparität
2
Globales Management der CO2-Emissionen nötig –Divergieren von Ursache, Lösung und Wirkung
Fossile Brennstoffe,
Kernenergie,
Wasserkraft
Nutzenergie
Fossile Brennstoffe,
(Kernenergie)
Erneuerbare Energien
Nutzenergie,
Effizienz
Erneuerbare Energien
Nutzenergie,
Effizienz
Offenes System
Partiell geschlos-
senes System
Geschlossenes
System
95 : 5
20 : 80
1 : 99
Typisierung von Energiesystemen –Offen, partiell geschlossen, geschlossen
3
14
Bis 2005
Ab 2050
Bis 2050
Fossile Brennstoffe,
Kernenergie,
Wasserkraft
Nutzenergie
Fossile Brennstoffe (Gas),
(Kernenergie)
Nutzenergie,
Effizienz
Erneuerbare Energien
Nutzenergie,
Effizienz
Typisierung von Energiesystemen –Offen, partiell geschlossen, geschlossen
3
Deutliche
ReduktionAusstieg
Kernenergie
Ausstieg
Kohle
Bis 2050
Offenes System
Partiell geschlos-
senes System
Geschlossenes
System
Fusion ist
keine Option20 %
80 %Erneuerbare Energien
15
Nutzung regenerativer Energiequellen –Stromsystem spielt zentrale und neue Rolle
Sonne
Wind
Wasser
Strom
(X2P)
Volatilität:
Ort
Flexibilität:
Erzeugung
Netze
Verbrauch
Regenera
tive H
aupte
nerg
iequelle
n
Wärme
(X2H)
Das heutige Stromsystem ist für die zu erwartende zeitliche und örtliche Volatilität in der
Erzeugung nicht konzipiert! Analoges gilt für die Amplitude der Erzeugungsleistung
(Erzeugungsleistung : Verbrauchsleistung ≈ 1 : 1 ≈ 5 : 1)
Volatilität:
Zeit
Volatilität:
Amplitude
3
*) Quelle: A. Moser RWTH Aachen, „Systemstudie zum Einspeisemanagement erneuerbarer Energien“
Bsp .Sonne und Wind *)
16
Ein Energiesystem, das aus volatilen Quellen mitgeringer Verfügbarkeit besteht, erfordert hohe Erzeugungsleistungen
4
Das deutsche Stromsystem nutzt künftig
folgende Energieträger:
Volatile regenerative Energien
Mit niedriger Energiedichte
Mit niedriger Jahresbenutzungsdauer
Und hohen Leistungsgradienten
In Folge ist eine hohe Erzeugungs-
leistung zu installieren, die einen hohen
Flächenbedarf aufweist
Weiterhin sind steuerbare und hoch flexible
Reservekraftwerke erforderlich
Die Einsatzzeit der konventionellen (Re-
serve-) Kraftwerke verringert sich stark
Die Frage des Energietransports ist zu
lösen
Konventionelle (Reserve-) Kraftwerke:
Gas (GuD)
Kohle
Flexible KWK
mit Mindesterzeugung (≈ 30 %)
Quelle: BMU
+
Vorgesehener
Wachstumspfad
erneuerbarer
Energien
Vermutlich
schnellerer
Anstieg Max
Min Verb
rauch
Die hohen Erzeugungsleistungen erneuerbarer Energien erfordern eine lokale Pufferung und Speicherung
18
Quelle: Prof. Günter Brauner, TU Wien
Der Ausbau und die Erweiterung des Übertragungsnetzes sind notwendige aber
keine hinreichenden Bedingungen für die Errichtung eines regenerativen Energiesystems
4
Das dargestellte Erzeugungsportfolio
bedingt in der Durchmischung eine
4,7-fache Leistungsüberbauung.
Dies entspricht in etwa 400 GW
20% 5% 5% 35% 35%
Gas & Kohle werden im Portfolio im Wesentlichen in Form von flexibler KWK verstanden
(n-1) Netz-
kapazität
Tatsächlich verfügbare Leistung erneuerbarer Energien –Volatilität, Diversität und (teilweiser) Synchronismus
4
19
Pmax ≈ 0,5 x Pinst
Damit ist die 2,4-fache Leistungs-
überbauung zu beherrschen.
Dies entspricht in etwa 200 GW
Nach 2020 wird die temporäre Überschusserzeugung(Energiemenge) deutlich zunehmen
Residual load in Germany
Source: “Options to compensate volatile generation of renewable energy sources” (Möglichkeiten zum Ausgleich
fluktuierender Einspeisungen aus erneuerbaren Energien)
Analysis ordered by the Federal Association of Renewable Energy Sources (Bundesverband Erneuerbare Energie
BEE); authors Dr.-Ing. Norbert Krzikalla, Siggi Achner, Stefan Brühl, BET, Aachen
Increasing
temporary surplus
generation (energy)
4
20
(Load – Generation of RES)
Nur thermische und chemische Speicher bieten das durch die Energiewende geforderte Speichervolumen
Dichte von
Mechanischer Energie *
(1 m³ Wasser, 4 000 m hoch)
Thermischer Energie *
(1 m³ Wasser, 10 K wärmer)
Chemischer Energie *
(1 m³ Erdgas, 0,8 kg)
Energie in Batterien *
(100 kg Li-Ionen Batterien)
Wasserstoff (rund ein Drittel
des Brennwertes von CH4)
dürfte zur Problemlösung
ausreichend sein **
* Alle Größenangaben beziehen sich auf einen
Energieinhalt von rund 40 MJ (ca. 11 kWh)
** Bei 5 % Wasserstoffanteil können bis zu 30 Halb-
tagesproduktionen aller erneuerbaren Energien des
Jahres 2020 “eingelagert“ werden
H2O
H2
O2
„Power–to–gas (H2)
–to–gas–grid“
Strom
„Power–to–gas (H2)
–to–gas–tank“
„Power–to–gas (H2)
–to–others (industry)“
Elektrolyseur
Erdgaspreis Benzinpreis Dampfreformierung
Reversible
Energie-
speicherung
Nicht-energetisch
(Preis x 2)
Energetisch
(Preis x 1)
5
22
Das künftige Energiesystem besteht in der Kopplung von Energieformen und Sektoren – Strom bildet die Drehscheibe
5
Strom
Gas
Wärme
Kälte
P2XX2P / EE
G2P P2G
P2C P2H
Gas-
speicher
Strom-
speicher
Wärme-
speicher
Kälte-
speicher
Biomasse
X2H,
Biomasse,
Geothermie
G2H
SteuerlogikVerschiedene Kopplungsebenen:
Gebäude, Quartier, Stadt, Industrie
Haupt-
quellen
(H2, CH4)
Quelle,
Pipeline,
LNG,
Netzausbau, Erzeugungs- und Lastmanagementsind deutlich kostengünstiger als Speicher
Batteries are short-term storages; capacity of pumped hydro limited; options of Redox-Flow
5
Time
Penetration
of volatile
renewable
sources
Electricity:
Grid extension
Grid reinforcement
Increase of grid
flexibility (smart grids)
Flexible power
generation
Connection of com-
plementing generation
and consumption
patterns
Switching off of
volatile generation
Heat:
Power to Heat
technologies
(η ≈ 99 %)
Demand side
management
Energy efficiency
Generation Absorption Storage
Cost of
supporting
infrastructure
for the inte-
gration of
renewables
35 %
60 %
Gas:
Power to Gas
technologies
(η < 80 %)
Link to chemistry
(Need for hydrogen)
Place Time
Neue Volatilität und Richtungsumkehr der Lastflüsse –Herausforderungen für elektrische Netze durch die Energiewende
24
6
Quelle: BMWi-Verteilernetzstudie (2014), Ergänzungen ETG (2016)
Vert
eiln
etz
Verteilnetze sind als „Einbahnstraßen“ konzipiert
Sowohl Übertragungs- als auch Verteilnetze erhalten neue Aufgaben und müssen ausgebaut werden
6
Wind
Sonne
Wasser
Biomasse
Erzeugung
Dörfer
Bauernhöfe
Ohne Anschluss
Struktur
Erneuerbare Energien genießen das Recht
der vorrangigen Einspeisung in elektrische
Netze und haben zudem Anspruch auf eine
langfristige Preisgarantie. In Deutschland ist
daher davon auszugehen, das die sich die in-
stallierte Kraftwerkskapazität (erneuerbar
und konventionell) vor 2020 verdoppelt
Die Engpässe im Übertragungsnetz sind
bekannt, jedoch der Neubau von Leitungen
kommt nur sehr langsam voran (NYMBY- und
BANANA-Effekt). Zudem schwächt die Stillle-
gung der Kernkraftwerke die Netze. Über-
lastungen der Netze benachbarter Staaten
und die Zunahme kurzfristiger Spannungs-
einbrüche sind die Konsequenz
Die Anzahl der aktiven Eingriffe in das Über-
tragungsnetz ist um den Faktor 100 gestiegen
Auch Verteilnetze müssen ausgebaut wer-
den. Erneuerbare Energiequellen werden oft
in entlegenen Gebieten ohne Netz errichtet
Quelle: RWE
Landkreis
Interner Engpass
Die Verbundnetzbetreiber achteten in der Vergangenheit auf ausgeglichene Leistungsbilanzen
6
26Quelle: Deutsche Verbundgesellschaft
Bis zur Jahrtausendwende war auch auf Ebene der Bundesländer ein hoher Autarkiegrad
der Stromversorgung festzustellen. Die mittlere Transportentfernung lag unter 100 km
Ausgebaute übergreifende Schwache Nord-Süd-
Verbindungen Verbindungen
Statische und dynamische Lösungsoptionensind situationsbedingt einzusetzen – Beispiel Übertragungsnetz
27
Statische Lösung – Regulierte Preise –
Garantierte Verzinsung
Demand Side
Management
und / oder Speicherung
~
Dynamische Lösung – Marktpreise –
Aktuell negative Verzinsung
Erzeugung
Erzeugung Last
Last
Zeit
Leistung
Leitung 2
Zeit
Leistung
Leitung
Leitung
Leitung 2
Leitung 1
6
Leitung 1
Statische und dynamische Lösungsoptionensind situationsbedingt einzusetzen – Beispiel Übertragungsnetz
28
6
Wechselstrom ist nicht
steuerbar (Weg des ge-
ringsten Widerstands)
Gleichstrom ist steuer-
bar und hat eine höhere
spezifische Energiedichte
Über 95 % der regenerativen Erzeugung speist indas Verteilnetz – Dieses muss daher „intelligenter“ werden
6
380 kV
220 kV
110 kV 20 kV
10 kV
0,4 kV
Wind
SonneErzeugung
Integration
Überlast / Engpass
Spannung
Heraus-
forderung
Zeit (1 Tag)
Erneuerbare Energiequellen erhöhen die Spannung in den Verteilnetzen. Dies wird im
Rahmen der bestehenden Netzstruktur nicht erfasst und somit nicht erkannt
Der Lastfluss wird sehr volatil und ändert häufig die Richtung
Niedrigere Spannungsebenen speisen zurück in höhere Spannungsebenen
Die Verstärkung der bestehenden Netzinfrastruktur muss minimalistisch erfolgen. Durch
bessere prozessbezogene Information und Nutzung dieser Information (“Intelligenz”)
kann die vorhandene Infrastruktur optimiert im Sinne der Energiewende genutzt werden
Der Regulierungsrahmen bildet diese Notwendigkeit bislang nur unvollständig ab
Spannungsanstieg im Netz
V
Bedeutung der regenerativen EnergiequellenOrtsnetz-
station
PV Anlage
86 kW
Halbierung der Spitzenleistung verdoppelt (im Idealfall) Netzkapazität und verringert Energieerzeugung um 5 %
200 %
100 %
0 %Zeit
Maximale Leistung
5 % der
erzeugten
Energie
6
Erhöhen die energiebezogene Netzkapazität deutlich,
bei geringen Abstrichen in Bezug auf Qualität
Können Fehler im Netz (wie Leitungsunterbrechungen)
erkennen und (künftig) den Zustand von Assets bewerten
Können (künftig) Netzengpässe antizipieren
Quelle: EWE AG (A. Kornatz, E. Wieben)
Smart Grids (wie
das System iNES):
13
Anlagenkonkrete Umrechnung
abgeregelter Energie in Leistung
Quelle: A. Schweer et. al.
Quelle: Prof. Albert Moser RWTH Aachen, „Systemstudie zum Einspeisemanagement erneuerbarer Energien“
Beeinflussung der Leistungsspitzen –Reduktion des Netzausbaus durch selektive Spitzenkappung
6
In rund 50% der PV-geprägten und in über 60 % der Wind-geprägten Netze kann die An-
schlussleistung regenerativer Energiequellen bei selektiver Spitzenkappung ohne Netz-
ausbau verdoppelt werden
31
„Intelligente Netz“ (Smart Grids) –Autonom und flexibel durch Information anstelle von „starr“
6
32
Umspannwerk
(HS/MS: Ein-
oder Rückspeisung)
Ortsnetzstation
(MS/NS: Verbrauch
oder Einspeisung)
Grenzmastschalter
geöffnet
Spannungsregelung
MSNS
Flexible statt starre Netzbezirke –Regionale und lokale Absorption von volatiler Erzeugung
Grenzmastschalter
geöffnet (Adaption)
6
33
Grenzmastschalter
geschlossen (Adaption)
SpannungsregelungUmspannwerk
(HS/MS: Ein-
oder Rückspeisung)
Ortsnetzstation
(MS/NS: Verbrauch
oder Einspeisung)
MS
MS
Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” –Beherrschung der Volatilität durch Flexibilität
Flexible Erzeugung
Zeitl. Dimension Räuml. Dimension (in Ebenen)
34
7
Volatile
ErzeugungFlexibler Verbrauch
Übertragungsnetze statisch
Verteilungsnetze statisch
Wandlung Energieform
Stromspeicher
Änderung Kraftwerkseinsatz (Re-Dispatching) versus Ausbau Übertragungsnetz
Aufbau dezentrales Last- und Speichermanagement versus Ausbau Übertragungsnetz
Roadmap erforderlich: Schwerpunkte, zeitliche Reihenfolge, Steuerungsmechanismen
(Suffizienz, Effizienz, Konsistenz – Maß, Wirksamkeit, Verhältnis)
Energiewende als Managementaufgabe
Übertragungsnetze dynam.
Verteilungsnetze dynamisch
7
Prinzipien für eine effiziente, effektive underfolgreichen Umsetzung der Energiewende
Technische Subsidiarität und Modularität
Problem des Energiebilanzausgleichs unter Beachtung des Prinzips
von Pareto dort lösen, wo sie auftreten (Schalenförmige Strukturen)
Beispiel: Gebäude – Quartier – Stadt – Region – Land – EU
Technische Diversifikation und Vernetzung
Kombination von verschiedenen Erzeugungs- mit verschiedenen Ver-
brauchsmustern zur Systemstabilisierung und zum Energiebilanzausgleich
Beispiel: Solaranlagen – Windkraftanlagen – Biomasse – KWK; Gewerbe –
Wohnblocks – Industrie; Stadt – Land
Technische Modifikation / Mehrfachnutzung von Infrastruktur
Nutzung und Ergänzung der vorhandenen Infrastruktur im Sinne der
Energiewende. Mehrfachnutzung einer Anlage (z.B. Unterstützung
von Smart Home und Smart Grid)
Beispiel: Fernwärmesystem und Gasnetz als Energiespeicher35
Zelle Quartier,
Straßenzug
8
Das Energiesystem der Zukunft ist modular gemäßdem Prinzip der technischen Subsidiarität aufgebaut
Zelluläres System – Strombasiert
Ebene 1: Europäisches Verbundnetz –
Verbindung der überregiona-
len Hochspannungsnetze
Ebene 2: Hochspannungsnetze –
Verbindung der regionalen
Mittelspannungsnetze
Ebene 3: Mittelspannungsnetze –
Verbindung der lokalen
Niederspannungsnetze
Ebene 4: Niederspannungsnetze –
Verbindung der Gebäude
Ebene 5: Gebäude
Zelle Europa
Zelle Region
Zelle Gebäude
Zelle Stadt-
viertel, Klein-
stadt, Ortschaft
Technische
Subsidiarität
Prinzip von Pareto36
8
Dimensionierung von Batterien in Haushalten –60% Autarkie kann mit begrenzten Investitionen erreicht werden
With a utilization time
of 1 000 hours (1 kWp
generates 1.000 kWh)
a self-sufficiency level
of 60 % can be achieved
with the limited storage
capacity of 1.25 kWh
Higher self-sufficiency
levels need significantly
higher storage capacities
E.g. the increase from
60 % to 70 % increases
the battery capacity by a
factor 3
Level of self-sufficiency
Usable
sto
rage c
apacity in k
Wh/M
Wh
PV power in kWp/MWhSource: pv magazine 01/2013, p.70-75
37
Time
Switching off of volatile
renewable generation
Installed generation
capacity
Power
Use of installed capacity
through storages
Use of installed capacity
through demand side
management
Use of installed capacity
through generation ma-
nagement, diversification
of volatile sources for
existing consumption
Generation
Absorption
Storage
Erzeugungs- und Lastmanagement, Speicher aber auchdie Abschaltung von Überschussproduktion gehören zum System
8
8
Anteil volatiler Energiequellen am
Erzeugungsportfolio eines Systems
0 % 100 %
Bedeutung der
maximalen Energieausbeute
0 %
100 %
Bedeutung der gleichmäßigen
Energiebereitstellung
Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” –Bedeutung von Energieausbeute und Gleichmäßigkeit
Die Diversifizierung des Anlagenparks reduziert die Volatilität der Erzeugung. Es ist aus
Gesamtökonomischer Sicht günstiger eine etwas geringere Erzeugung in Kauf zu nehmen
und dafür den Bedarf an Speicherkapazität zu reduzieren
39
Maximaler Ertrag;
Hohe Speicherkapazität
Reduzierter Ertrag;
Reduzierte Speicherkapazität
Direkte und indirekte Steuerung des Energiesystems –Örtliche und zeitliche Verfügbarkeit; Physik und Geld
8
Ort – unverzügliche Reaktion – Automatismus
Verletzung des Spannungsbandes
Überstrom
Ort – verzögerte Reaktion – Preis – Smart Meter
Verletzung des Spannungsbandes
Überstrom
Zeit – verzögerte Reaktion – Preis – Smart Meter
Leistungsgleichgewicht
Bilanzkreise
Zeit – unverzügliche Reaktion – Automatismus
Leistungsgleichgewicht
Frequenz- / Leistungsregelung
Smart Grid
Smart Grid Tariff
Smart Market
Smart Generator
Te
ch
nik
Te
ch
nik
Ma
rkt
Ma
rkt
Netz
Erz
eu
gu
ng / V
erb
rauch
Energiewende
Energiewende
Liberalisierung
Monopol
40
9
Die Vollkosten verschiedener Kraftwerke sind ähnlich –Steuerbarkeit und Kostenentwicklung divergieren
41
Steuerbare und nicht steuerbare Kraftwerke – Betriebswirtschaftliche Vollkosten
Anforderungen,
Rohstoffpreise
Technologie,
Massenproduktion
Kosten-
ent-
wicklung
(Betriebswirtschaftliche Betrachtung)
- Modularisierung
- Standardisierung
- Massenfertigung
- Verbrauchsnähe
- Kombination von
Funktionen
- Keine Brennstoffe
- Wachstumsgesetze
- Singuläre Produkte,
- Singuläre Funktion
- Brennstoffe
- Emissionen
Beispiel:
Quelle: Handelsblatt
Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” –Effizienz dezentraler und zentrale Methoden
9
42
Ganzheitlicher Blick auf die “Energiewende” –Unterschiedliche Integrationsmethoden für Haushalten und Industrie
9
Haushalte:
1/3 des Bedarfs an
elektrischer Energie
Autarkiegrad 60 %
Industrie und Verkehr:
2/3 des Bedarfs an
elektrischer Energie
Autarkiegrad 20 %
Photovoltaik
Batterie
Quartierslösungen
Photovoltaik, Wind
Batterie, P2H, P2G
KWK
Regionale Netze
43
44
9
Effizienzlandkarte –Optionen auf der Anwendungsseite sind zu nutzen
Zum Erreichen der Dekarbonisierungsziele muss dieNutzung von regenerativ erzeugtem Strom ausgeweitet werden
9
Steuerlogik
Strombedarf
heute
600 TWh
Strombedarf
künftig
1.000 TWh
bis
1.500 TWh
Mobilität,
fossil und elektrisch
(Strom oder H2)
Wärme,
elektrisch und fossil
45*) Q
ue
llen
: z.B
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off
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esch
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01
4),
V. Q
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Se
kto
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lun
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du
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die
En
erg
iew
en
de
“ (2
01
6)
Mehr Leistungs- als Energieproblem
Überlagerung von disruptiven Entwicklungen –Die digitalisierte Energiewende
46
Energiewende
→ Disruptiv durch Dezentralität und Kleinteiligkeit
(„Upside down“)
Digitalisierung
→ Disruptiv durch Dezentralität und Kleinteiligkeit
(Cloud, Big Data, Neuronale Netze, Open Source)
Digitalisierte Energiewende: Dezentralität braucht Koordinierung → Disruption²
Technik: Autonome Zellen, teilautarke Module, virtuelle Strukturen, Prognosen, Muster
Kultur: Digitalisierung als Kulturfrage, geistiges Eigentum, Art der Zusammenarbeit
Automatisierung und Autonomie: Rollen und Wertschöpfungsstufen
Kunde
Geschäft
Mitarbeiter
Margen, Gewinn
Kapital
Quelle: RWE
9
10
Energiewende ganzheitlich –Ordnungspolitische Barrieren zwischen Energieformen beseitigen
Strom
Gas
Fernwärme
Heizung
Fernkälte
P2X
Klimatisierung
Mobilität
Beleuchtung
47
Innerhalb des
Energie-
systems sind
ordnungs-
politische
Barrieren
zu entfernen
Einheitliche
Besteuerung
von Energie
bei der
Nutzung
erforderlich
System Nutzung
Energiewende ganzheitlich –Transformation des Ordnungsrahmens
48
Erforderlich: Grundlegende Reform des ordnungspolitischen Rahmens
in Richtung Dekarbonisierung schafft Raum für Innovationen
Real: Schrittweise Anpassung des ordnungspolitischen Rahmens
Markteintritt EE Marktdurchdringung EE
Genereller
Ordnungs-
rahmen
Detaillierter
Ordnungs-
rahmen
10
Zeit
Ausprägung
EEG
ETS
Komplexität
Widersprüche
Energiewende und Region –Ansatzpunkte der kommunalen Mitgestaltung
49
Aspekte der Energiewende
Technikwende
Kapitalwende
Mobilitätswende
Wohnungswende
Produktionswende
Politikwende
Kulturwende
11
Aspekte für die Region
Transparenz
Vernetzung
Information
Planung (Auflagen)
Finanzierung
Beratung
Neue Akteure der
Energiewende
Investoren
Energieversorger
Anwendungsseite
Entscheidungsfindung ist häufig emotional und nicht rational
Beeinflussung
Ordnungsrahmen
Kultur
Emotion
Region Frankfurt Rhein Main –Spezifische Situation
50
Urbaner dicht besiedelter Raum
Mobilität
Heizen / Kühlen
Gebäudeintegrierte Erzeugung
Lebensqualität (Reduktion
Emissionen, Lärm)
Hohe Preise im Wohnungsbau
Mannigfaltige Akteure der Energiewende
Kleinteilige Strukturen im Rhein-Main-Gebiet
Energie Cluster (Strom, Wärme)
Ganzheitliche Stadt- und Regionalentwicklung
Verkehr
Energiebedarfsknoten
11
Energiesystem der Zukunft und Subsidiaritätsprinzip –Kombination von Mustern stabilisiert Module und Stromsystem
Regionale Energie
Cluster: Kombination von
Stadt und Land – Stabilität
durch Diversität
Urbane Region:
Erzeugung: Gebäudeinte-
grierte Photovoltaik, KWK*)
DSM*): Power to Heat
Speicher: Power to Gas
Ländliche Region:
Erzeugung: Solaranlagen,
Wind, Biomasse, Wasser,
GuD-Turbine*)
Speicher: Pumpspeicher
Energieaustausch zwischen
Stadt und Land über das HS-
Netz *)
(Minimierter) Energieaus-
tausch zwischen den Clustern
über das HöS-Netz *)
*) KWK: Kraft-Wärme-Kopplung
DSM: Demand Side Management
GuD: Gas und Dampf
HS: Hochspannung
HöS: Höchstspannung
Herausforderung: Eigen-
tumsstruktur der Netze
11
16
Energiewende USA –Arbeit von Elon Musk: Technik, Unternehmer, Emotion, Kult
52
11
Elektrofahrzeug Modell S Batterie Powerwall
Solar-Dachpfanne
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Prof. Dr.-Ing. Peter Birkner,
Honorarprofessor Bergische Universität Wuppertal,
Geschäftsführer House of Energy e.V., Kassel