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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r IW

ES

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En

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01

4),

V. Q

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erl

in „

Se

kto

rko

pp

lun

g

du

rch

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