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TRANSCRIPT
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Dekarbonisierung durch Elektrifizierung – Eine Merit Order der
technischen Potenziale
10. IEWT 2017
Wien, 16. Februar 2017
Vortragender: Andrej Guminski
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Agenda
Elektrifizierung – Kernfragen, Status Quo und Potenziale
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Methodik und Annahmen
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Beispielhafte Ausführung der Methodik
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Interpretation und Fazit
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Kernfragen der Elektrifizierung
Die Elektrifizierung kann ein zentraler Baustein der Energiewende
werden, einige Fragen sind jedoch noch unbeantwortet…
1. Was ist das theoretische Elektrifizierungspotenzial in sektoraler Auflösung?
2. Welche Prozesse und Anwendungen können aus technischer Sicht elektrifiziert werden und welche Technologien
kommen hierfür in Frage?
3. In sektoraler Auflösung; was sind die spezifischen Differenzkosten der Elektrifizierung für die analysierte Prozesse und
Anwendungen?
4. Wie sieht die resultierende merit-order der Elektrifizierung aus und wie kann diese interpretiert werden?
Was für spezifische Differenzkosten entstehen durch die Elektrifizierung des deutschen Endenergieverbrauchs, in
sektoraler Auflösung, für das Jahr 2050?
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Gesamter Endenergieverbrauch und elektrischer Endenergieverbrauch in sektoraler Auflösung in TWh für 2014*
20 % des Endenergieverbrauchs sind bereits elektrisch…
IKT, Beleuchtung, Klimakälte und Prozesskälte sind bereits vollständig elektrifiziert
Aktuelle Zielvorgabe: Bruttostromverbrauch bis 2050 ggü. 2008 um 25 % senken
Die Elektrifizierung führt zu zusätzlichem Stromverbrauch
Zielkonflikt: Senkung Bruttostromverbrauch bis 2050 ggü. 2008 um 25 % ist nicht mehr möglich
EEV für Anwendungsarten die weniger als 1 % des sektoralen EEV ausmachen werden nicht gezeigt. Insgesamt werden ~28 TWh unterschlagen
Daten aus: AGEB Energiebilanzen.
216
EEV
697615
130
EEV
134
EEV
372
10
EEVelEEV
730
Mechanische Energie
Prozesskälte
Klimakälte
Beleuchtung
IKT Raumwärme & Warmwasser
Prozesswärme
Industrie HaushalteVerkehr GHD
Gesamt 2402
GHD
Verkehr
Haushalte
Industrie
5
Verkehr Haushalte GHDIndustrie
% Substitutionspotenzial
TEPVK TEPIND TEPHH TEPGHD
406
677
360
615
697730
200
800
600
400
0
[TWh]
207
451
Raumwärme und Warmwasser
Mechanische Energie
Prozesswärme
EEV
93 %
66 %
65 %
57 %
Sektorales theoretisches Elektrifizierungspotenzial im Jahr 2014 in TWh*
Koppelstrom: Was uns nun interessiert sind die Potenziale zur
Elektrifizierung und die bei der Umsetzung entstehenden Kosten…
Das theoretische Elektrifizierungspotenzial (TEP) ist definiert als der maximal elektrifizierbare Endenergieverbrauch.
Von der Elektrifizierung ausgeschlossen werden bereits erneuerbar (und elektrisch) betriebene Prozesse und
Anwendungen.
*Fuels which account for < 1 % of sectoral TEP have been suppressed for purposes of simplicity and representability
Data from AGEB Energiebilanzen
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Agenda
Elektrifizierung – Kernfragen, Status Quo und Potenziale
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Methodik und Annahmen
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Beispielhafte Ausführung der Methodik
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Interpretation, Fazit und aktuelle FfE Forschungsarbeiten zum Thema
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Vorgehensweise zur Erstellung der merit order der Elektrifizierung in vier Schritten
Das theoretische Elektrifizierungspotenzial ist der Startpunkt der
sektoralen top-down Analyse
Einige Annahmen die der Analyse zugrunde liegen:
1. Die Elektrifizierung ist technisch möglich wenn eine marktreife elektrische Technologie existiert, die für den Prozess
oder die Anwendung geeignet ist
2. Die Elektrifizierung findet stets am Lebensdauerende der momentan installierten Technologie statt
3. Die effizienteste elektrische Technologie und die am weitesten verbreitetste fossile Referenztechnologie
4. Konstante Energieträgerpreise; keine Technologielernkurven
5. Verbraucherseitige Betrachtung (Akteursperspektive); keine Systemeffekte und Interdependenzen
Ermittlung des technischen Elektrifizierungs-potenzials
• Identifikation von elektrifizierbarenProzessen und Anwendungen
Definition eines fossilen Referenzsystems und einer elektrischen Alternative
• Definition von Art, Leistung und Kosten der fossilen Referenz und elektrischen Alternative
Berechnung der spezifischen Differenzkosten der Elektrifizierung
• Differenzkosten werden in das Verhältnis zum technischen Elektrifizierungs-potenzial gesetzt
Visualisierung der Ergebnisse in einer Merit Order der Elektrifizierung
• Darstellung der spezifischen Differenzkosten und des technischen Potenzials in einer merit order Kurve
Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4
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Die Formel zeigt das Konzept der Differenzkosten-Kalkulation
Die spezifischen annuitätischen Differenzkosten der Elektrifizierung
werden aus der Akteurskostenperspektive kalkuliert
a𝑑𝑐 = 𝑠𝑝𝑒𝑧. 𝑎𝑛𝑛𝑢𝑖𝑡ä𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑓. 𝐾𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑠𝑦𝑠 = 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒𝑠 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑓 = 𝑅𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛z 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 aFE = Elektrifizierte Endenergie 𝑂𝑃𝐸𝑋 = 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑛 = 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑟𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟 𝐾𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛
𝑎𝑑𝑐𝑠𝑒𝑐,𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠𝑠𝑦𝑠
= (𝑎𝑂𝑃𝐸𝑋,𝑠𝑒𝑐,𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠
𝑒𝑙𝑒𝑐𝑛𝑟=1 − 𝑎𝑂𝑃𝐸𝑋,𝑠𝑒𝑐,𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠
𝑟𝑒𝑓) + (𝑎𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋,𝑠𝑒𝑐
𝑒𝑙𝑒𝑐 − 𝑎𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋,𝑠𝑒𝑐𝑟𝑒𝑓𝑛
𝑟=1 )
𝑎𝐹𝐸
Term 1:
Operating expenditure (OPEX) werden als reale jährlich Kosten behandelt (keine Diskontierung)
„sec“ wird definiert da es die Betrachtung in verschiedenen Sektoren stattfindet
„class“ wird definiert da verschiedene Elektrifizierungsvorgänge innerhalb eines Sektors stattfinden
Term 2:
Capital expenditure (CAPEX) fließen als
Annuitäten ein
„class“ ist nicht definiert, da Technologiekosten
nicht sektorabhängig sind
Term 3:
„Verdrängte“ oder „elektrifizierte“ fossile
Endenergie im Betrachtungsjahr
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Agenda
Elektrifizierung – Kernfragen, Status Quo und Potenziale
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Methodik und Annahmen
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Beispielhafte Ausführung der Methodik
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Interpretation, Fazit und aktuelle FfE Forschungsarbeiten zum Thema
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Elektrifizierte
Endenergie
[TWh]
Dummy merit order curve
Was ist unser Ziel?
Jedes Segment repräsentiert einen
elektrifizierten Prozess oder eine
elektrifizierte Anwendung
Vermiedene Kosten die
durch die
Elektrifizierung von 1
kWh Endenergie
entstehen
Elektrifizierter Endenergieverbrauch
im Betrachtungsjahr
Zusätzliche Kosten die
durch die
Elektrifizierung von 1
kWh Endenergie
entstehen
Spezifische Differenzkosten
der Elektrifizierung
[ct/kWh]
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Verkehr Haushalte GHDIndustrie
% Substitutionspotenzial
TEPVK TEPIND TEPHH TEPGHD
406
677
360
615
697730
200
800
600
400
0
[TWh]
207
451
Raumwärme und Warmwasser
Mechanische Energie
Prozesswärme
EEV
93 %
66 %
65 %
57 %
Der deutsche Industriesektor kann in 9 Klassen unterteilt werden Branchen
Raumwärme und Warmwasser (RW+WW) sowie Fernwärme sind separate Klassen
Quelle: statistische Daten der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB)
In jeder Branche werden die aus energetischer Sicht relevantesten Prozesse analysiert
Zur Ableitung des technischen Elektrifizierungspotenzials werden
„Klassen“ je Endenergieverbrauchssektor konstruiert Jeder Energieverbrauchssektor wird in Klassen unterteilt, die dann im Detail analysiert werden um das technische Elektrifzierungspotenzial und die entstehenden Kosten zu erhalten
106
62
153
12
Apply energy conversion efficiency and fuel costs differential OPEX
Beispiel Papierindustrie: wie hoch ist das technische Elektrifizierungspotenzial? Definition der Referenztechnologie und elektrischen Alternative sind möglich? Wie hoch sind die Kosten?
Elektrifizierungskosten und technisches Potenzial in der
Papierindustrie
500
400
300
200
100
0
TEPIND
36 Schritt 1: technisches Elektrifizierungspotenzial
Verwendete Technologie: Trockenzylinder bei ~100°C (Temperaturniveau!)
Wärmequelle für Trockenzylinder ist nicht prozessabhängig
Prozess elektrifizierbar
Technische Elektrifizierungspotenzial ohne Fernwärme sind 27 TWh
Technologie Lebensdauern ermöglichen volle Elektrifizierung bis 2050
Step 2: Definition der elektrischen Alternative und der fossilen Referenz
Elektrische Technologie: Industriewärmepumpe (Demonstrationszwecke!)
Konventionelle Technologie: Industriegaskessel (weit verbreitet)
Branche Tech.Pot. [TWh]
Wärme-bedarf [TWh]
Volllast- stunden [h/a]
Marge (Überdim.)
[%]
Anzahl Unternehmen
Inst. Leistung pro Unternehmen
[MW]
Prozesswärme- Bedarf je U. [kWh]
Papier 27 23.0 7,000 150 173 28.5 133
Step 3: Kostenrechnung*
Siehe /FFE-31 14/ und /EPRO-01 06/, p. 5 für VLS und /DESTATIS-13 14/, pp. 11, 13.
Kosten der Elektrifizierung: - 1 ct/kWh Addieren der Differenz CAPEX und OPEX und beziehen der Summe auf Tech. Pot. Anwenden der Kostenfunktion für IndustrieWP und Industriegaskessel und Berechnung der
Annuitäten Differenz CAPEX
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Agenda
Elektrifizierung – Kernfragen, Status Quo und Potenziale
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Methodik und Annahmen
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Beispielhafte Ausführung der Methodik
Merit order der Elektrifizierung 2050 – Interpretation, Fazit und aktuelle FfE Forschungsarbeiten zum Thema
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2
3
4
14
1.2500
30
25
20
15
10
5
0
-5
Elektrifizierte
Endenergie
[TWh]
Gewerbe, Handel und
Dienstleistungen
Fernwärme
Industrie (IND)
Verkehr
Haushalte
Spezifische Differenzkosten
der Elektrifizierung
[ct/kWh]
INDPW Papier,GWP,IGWP
B
D
C
A
Merit order der Elektrifizierung im Jahr 2050; Visualisierung der zusätzlichen oder vermiedenen Kosten der Elektrifizierung
Die Elektrifizierung von ~1300 TWh fossilen EEV führt (unter
diesen Annahmen) zu jährlichen Mehrkosten von €58 Mrd. in 2050
A Es existiert kein Elektrifizierungsfavorit
B Die Elektrifizierung von ~1300 TWh fossiler Endenergie führt zu einer
Steigung des Stromverbrauch von heute 579 zu 970 TWh in 2050
C Gesamte jährliche Mehrkosten in 2050 von €58 Mrd. (EEG : €24 bn)
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Andrej Guminski, M.Sc.
+49 (89) 158121-34
Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH
Am Blütenanger 71
80995 München
www.ffegmbh.de
Fragen und Diskussion sind sehr erwünscht! Danke!
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Merit-Order of electrification in 2050; showing the additional or avoided costs of electrification
Full merit order of electrification
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Emission free electricity production in combination with a high
electrification rate can pose a key decarbonization strategy… A possible path of Germany for a transition towards a „More Electric World“*
Current government issued policy and discussion papers such as the Climate Action Plan 2050 or the Greenbook
Energy Efficiency now support this path
*RES = Renewable energy sources
21
13
5850
453500
400
300
200
100
0
[TWh]
213
418
Domestic SME Industry
𝑇𝐸𝑃𝐷𝑂𝑀𝑒𝑥𝑐𝑙.𝑑𝑖𝑠𝑡𝐻
District heat
H&HW
Mechanical energy
Process heat
𝑇𝐸𝑃𝐼𝑁𝐷𝑒𝑥𝑐𝑙.𝑑𝑖𝑠𝑡𝐻
𝑇𝐸𝑃𝑆𝑀𝐸𝑒𝑥𝑐𝑙.𝑑𝑖𝑠𝑡𝐻
The case of district heat
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The domestic sector is sub-divided into 7 building classes (based on FfE building model)
To obey the private project cost perspective, district heat is analyzed seperately
Steps 1 to 3 from the methdology are performed for each class
Additional classes for new builds
The German industry sector can be sub-divided into 9 classes industry segments
H&HW and district heat are treated seperately
Source: statistical data from Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB)
For each relevant segment the most important processes are considered
The transport sector is first divided according to type of transport (air, water, rail and road)
Road passenger transport is further sub-divided according to fuel-type and car size classes (small, medium and large)
Each size class is further differentiated according to annual driving distance (average, above average and below average)
Largely adapted from a total cost of ownership study by Plötz et al. (2014)
For process heat and heating and hot water classes are constructed according to SME branches (source: AGEB)
For mechanical energy, classes are constructed according to special purpose vehicle (excavators and tractors)
Heterogeneity of processes and applications in the SME sector and a thin data base lead to the exclusion process heat
from further analysis
Transport Domestic SMEIndustry
% TEP as percentage of
FEC
TEPTP TEPDOM TEPIND TEPSME
503
675
389
723720715
200
0
600
400
800
226
476
[TWh]
Mechanical energy
Heating and Hot Water
FEC
Process heat
94 %
70 %66 %
58 %
Determining the sectoral technical electrification potential by
constructing classes for further analysis Each sector is sub-divided into „classes“, which are then analyzed to determine the technical electrification potential and the associated costs of electrification
(Non-ferrous) Metal manufacture
and processing
Paper
Quarrying, other mining
Chemical industry
Other segments
Rubber and plastic products
Glass and ceramics
Manufacture of machinery
& transport equipment
Food and tobacco
Single family house (SFH)
MFH (7-12)
MFH (3-6)
Multi-family house (MFH) (>12)
Semi-detached house (SDH)
Terraced house (TH)
Double house (DH)
Road passenger (diesel)
Road freight
Air transport
Rail transport
Coastal&inland-waterway transport
Road passenger (lead free)239
174
190
104
203
90
84 46
106
62
153
25
What was covered and what not?
Not electrifiedElectrified Final
Energy Consumption
Energy not electrified using
natural technology
exchange rates
Neglected/not covered
Technical reasons
14 %
13 %
Lack of cost and/or
consumption data
Shares of not
electrified
final energy
7 %
Total TEP2013
~1878 TWh
9 %
34 %57 %
182
2.575
515
1.878
Electricity
Final energy
consumption
2013 [TWh]
Fossil fuels
Renewable energy
sources
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Selected sources
AGEB-03 12 Ziesing, Hans-Joachim: Energie in Zahlen - Arbeit und Leistungen der AG Energiebilanzen. Berlin: Arbeitsgemeinschaft
Energiebilanzen e.V., 2012
AGEB-02 13 Ziesing, Hans-Joachim; Rohde, Clemens: Anwendungsbilanzen für die Endenergiesektoren in Deutschland in den Jahren
2011 und 2012 mit Zeitreihen von 2008 bis 2012. Berlin: AG Energiebilanzen e.V., 2013
BMWI-02 14 Energiedaten: Gesamtausgabe - Stand: April 2014. Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), 2014
DESTATIS-07 08 Klassifikationen - Gliederung der Klassifikation der Wirtschaftszweige, Ausgabe 2008 (WZ 2008). Wiesbaden: Statistische
Bundesamt, 2008
DESTATIS-13 14 Produzierendes Gewerbe (Fachserie 4 Reihe 4.1.2) - Betriebe, Tätige Personen und Umsatz des Verarbeitenden Gewerbes
sowie des Bergbaus und der Gewinnung von Steinen und Erden nach Beschäftigtengrößenklassen. Wiesbaden:
Statistisches Bundesamt (DESTATIS), 2014
FFE-06 15 Gruber, Anna; Biedermann, Franziska; von Roon, Serafin: Industrielles Power-to-Heat Potenzial in: Vortrag bei der IEWT
2015 in Wien. München: Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, 2015
IER-02 15 Blesl, Markus; Brunke, Jean-Christian: Power-to-Heat in der Industrie - Möglichkeiten und Potentiale zur Substitution fossiler
Energieträger in: VDE-Tagung Berlin (23.10.2015). Stuttgart: Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung IER, 2015
ISI-02 13 Plötz, Patrick; Gnann, Till; Kühn, André; Wietschel, Martin: Markthochlaufszenarien für Elektrofahrzeuge - Langfassung. Karlsruhe:
Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), 2013
ISI-05 13 Fleiter, Tobias; Schlomann, Barbara; Eichhammer, Wolfgang: Energieverbrauch und CO2-Emissionen industrieller Prozesstechnologien
- Einsparpotentiale, Hemmnisse und Instrumente in: ISI Schriftenreihe "Innovationspotentiale". Stuttgart: Fraunhofer-Institut für
Systemtechnik und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), 2013
KBA-05 13 Kraftfahrt-Bundesamt: Bestand an Pkw am 1.Januar 2013 nach ausgewählten Kraftstoffen in:
http://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/Umwelt/2013/2013_b_umwelt_dusl_absolut.html?nn=793894 (18.12.2015). Berlin:
Kraftfahrt-Bundesamt (KBA), 2013
SUGI-01 12 Sugiyama, Masahiro: Climate change mitigation and electrification in: Energy Policy (44) 2012. Tokyo: Elsevier Ltd., 2012
UCL-01 11 Ekins, Paul; Kesicki, Fabian; Smith, Andrew: Marginal Abatement Cost Curves - A call for caution. München: University College
London Energy Institute, 2011
UCL-01 12 Kesicki, Fabian: Decomposing long-run carbon abatement cost curves - robustness and uncertainty. London: University College London
Energy Institute, 2012
ZIV-01 13 Erhebungen des Schornsteinfegerhandwerks für 2013. Sankt Augustin: Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks –
Zentralinnungsverband (ZIV), 2013