wissenschaftsdialog 2016 der bundesnetzagentur: dirk uwe sauer – technische herausforderungen für...

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Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften Union der deutschen Akademien der Wissenschaften

Dirk Uwe Sauer, RWTH Aachen

23.09.2016, Bonn

Technische Herausforderungen für die Stromversorgung 2050

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Energiesysteme der Zukunft

23.09.2016 Dirk Uwe Sauer - Bonn 2

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Kuratorium

Vorsitz

Prof. Dr. Reinhard F. Hüttl Präsident acatech

Prof. Dr. Dr. Hanns Hatt Präsident Akademienunion

Prof. Dr. Dr. Martin Grötschel Präsident Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften

Prof. Dr. Jörg Hacker Präsident Leopoldina

Prof. Dr. Bärbel Friedrich Altpräsidialmitglied Leopoldina

Prof. Dr. Andreas Löschel Universität Münster, Vorsitzender der Expertenkommission zum Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“

Prof. Dr. Jürgen Gausemeier Universität Paderborn, acatech Präsidium

Prof. Dr. Klaus Töpfer ehem. Exekutivdirektor des Umweltprogramms der Vereinten Nationen

Gast

Dr. Georg Schütte Staatssekretär Bundesministerium für Bildung und Forschung

Gast

Rainer Baake Staatssekretär Bundesministerium für Wirtschaft und Energie


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Direktorium (seit März 2016)

Prof. Dr. Robert Schlögl (Vorsitz)

Max-Planck-Gesellschaft

Prof. Dr. Christoph M. Schmidt Rheinisch-Westfälisches Institut für Wirtschaftsforschung

Prof. Dr. Eberhard Umbach acatech Präsidium

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer RWTH Aachen

Prof. Dr. Dr. Carl Friedrich Gethmann Universität Siegen


Ad-hoc Working group „Flexibility Concepts“ Organisation: Sauer, Elsner

11 expert groups, more than 100 experts

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Power Generation and Flexibility Technologies • Photovoltaics Lead Rech • Wind Lead Reuter • Bio mass Lead Weidner • Geothermal power generation Lead Clauser • Solarthermal power generation Lead Pitz-Paal • Conventional power plants Lead Görner, Sauer • Storage Technologies Lead Elsner, Sauer • Demand Side Management (power) Lead Styczynski, Sauer • Demand Side Management (heat) Lead Henning, Sauer • Grids Lead Weinhold, Sauer

Energy scenarios • scenarios Lead Fischedick

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Grundprinzip der elektrischen Energieversorgung: Erzeugung muss gleich Verbrauch sein

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Anteil fluktuierender Stromerzeugung an Gesamterzeugung: 83%

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Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen

Concentrated Solar Power mit Speicher

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Flexible konventionelle Kraftwerke

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Flexible Erzeugungstechnologien (Nettostromerzeuger)

Stromgeführte KWK-Anlagen

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Geothermie mit Speicher

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Netzausbau

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Demand Side Management (Industrie)

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Power-to-Gas (Chemicals)

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„Intelligente Netze“

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Abschaltung von EE-Anlagen

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Doppelnutzenspeicher

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Speicher

Flexibilitätstechnologien zur zeitlichen oder räumlichen Verschiebung

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Demand Side Management (Haushalte)

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Residuallast – ganzes Jahr: exemplarische Bandzerlegung

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Szenario WKA & PV 76%

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Herausforderung 1: Bedarfsspitzen und schnelle Leistungsänderungen

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Bedarfsspitzen

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PV: 151 GW, Wind onshore: 82 GW, Wind offshore: 20 GW, Stromverbrauch: 602 TWh, FEE-Anteil: 83 %

ca. 6 Wochen

Kurzzeitige Flexibilität

Option 1

• Flexible Erzeuger wie Gasturbinen (Erdgas, Biogas, Wasserstoff)

‚ Weitere Erhöhung der Flexibilität bis 2050 erwartet

Option 2

• Batteriespeicher

‚ Wichtige Technologie für die Transformationsphase des Stromsystems

Option 3

• Demand-Side-Management in Haushalten (inkl. Elektrofahrzeuge, PV-Speichersysteme, Haushaltsverbrauch & Wärmebedarf) und in der Industrie

‚ Sehr hohe Potenziale für 2050 erwartet. Kostengünstig, da wenig zusätzlicher Invest.

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Herausforderung 2: Mehrwöchige Perioden mit geringer solarer Einstrahlung und geringem Windaufkommen („Dunkelflauten“)

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„Dunkelflaute“ (ca. 14 Tage): wenig Wind und Sonne


ca. 6 Wochen

DSM Industrie

DSM Haushalt

Wasserstoffspeicher

Industrielle KWK

Gasturbinen Biogas

GuD Biogas

Gasturbinen Erdgas

GuD Erdgas

Steinkohle

Braunkohle CCS

Braunkohle

Überbrückung „Dunkelflauten“

Option 1

• Flexible konventionelle Kraftwerke

‚ Wenn es das CO2-Ziel des Stromsektors zulässt

Option 2

• Flexible Biogaskraftwerke

‚ Biomassepotenzial kritisch (Flächenkonkurrenz, Akzeptanz)

Option 3

• Langzeitspeicher, d.h. Rückverstromung von Wasserstoff

‚ Wenn genügend Überschüsse vorhanden sind, um den Speicher aufzufüllen

Alle Optionen haben im Kern Gasturbinen, Gesamtkapazität 40 bis 60 GW 15

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CO2 reduction compared with 1990 (Germany) DSM Industry

DSM Households

Hydrogen storage

Industrial CHP

Gas turbines – biogas

Gas and steam – biogas Gas turbines – natural gas Gas & steam – natural gas Coal

Lignite with CCS

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Herausforderung 3: Zeitweise hohe Überschüsse aus fluktuierender Erzeugung

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Verwendung von Überschüssen


Wie können Überschüsse verwendet werden?

Option 1 • Speicherung ‚ Wenn Speichereinsatz ökonomisch sinnvoll

Option 2 • Elektrische Wärmeerzeugung (Power-to-heat in Hybridheizsystemen) ‚ Sehr hohes Potenzial, geringe Investitionskosten

Option 3 • Erzeugung von Stoffen und Gasen zur Verwendung außerhalb

des Stromsektors (Power-to-X) ‚ Hohe Stundenzahl mit Überschüssen für wirtschaftlichen Betrieb

notwendig (frühestens bei >80% Stromerzeugung aus PV und Wind)

Option 4 • Abregelung ‚ Wirtschaftlich, wenn Investkosten für Alternativnutzung zu hoch

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Warum ist die Nutzung der Überschüsse so gering?

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Elektrofahrzeugbatterien

und PV-Speicher

Wasserstoffspeicher

Szenarionummer und Anteil Fluktuierender Erneuerbarer

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CO2-Minderung ggü. 1990


“Power to gas” – später direkt, heute durch „Power to heat“

Hybride Heizsysteme mit

Erdgas & Strom

Stromnetz

fluktuierende

Stromerzeugung

(Wind od. PV)

Wasserstofferzeugung Methanisierung

Invest. > 1000 €/kW

Invest. < 50 €/kW

Wirkungsgrad ~ 60%

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Herausforderung 4: Wirtschaftlichkeit

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CO2-Einsparung im Vergleich zu 1990

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(76 € pro Tonne)

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Überinstallation

Frozen Scenario: ca. 6,7 ct/kWh ohne CO2-Kosten ca. 9,2 ct/kWh mit CO2-Kosten

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Herausforderung 5: Marktliberalisierung und Aussicht auf neue, kostengünstige Strom-erzeuger sind Treiber für eine Dezentralisierung der Energieversorgung

Von zentraler Stromversorgung und unidirektionalem Netz …

… zu dezentralen Stromversorgungssystemen mit bidirektionalem Ausgleich

Dezentrale Stromversorgungssysteme

Verteilung und Verbrauch Übertragung

© Siemens AG 2015

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Kostenvergleich bei Verwendung überwiegend dezentraler Technologien

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9.2016 Dirk Uwe Sauer Bonn

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Hohe Anteile Wind und PV führen zu hohem Flexibilitätsbedarf

Technologien für Flexibilität werden ausreichend und wirtschaftlich zur Verfügung stehen

Gasturbinen werden eine zentrale Rolle für die gesicherte Strom-versorgung spielen (mit Erdgas, Biogas, EE-Wasserstoff oder –Methan)

Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien wird 2050 günstiger sein als bei Weiternutzung fossiler Energieträger

Energieversorgung könnte stark dezentral werden

Zusammenfassung

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Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften Union der deutschen Akademien der Wissenschaften

Dirk Uwe Sauer, RWTH Aachen

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Technische Herausforderungen für die Stromversorgung 2050

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