Smart Grids – Intelligente Stromnetze - TFD - TFD · Smart Grids – Intelligente Stromnetze Michael H. Breitner Institut für Wirtschaftsinformatik, Leibniz Universität Hannover

12. Juni 2013 ©2013: Prof. Dr. Michael H. Breitner ([email protected])1

Smart Grids – Intelligente Stromnetze

Michael H. Breitner Institut für Wirtschaftsinformatik, Leibniz Universität Hannover

Vorstand der Leibniz Forschungsinitiative Energie 2050

Leibniz Forschungsinitiative Energie 2050, www.energie.uni-hannover.de3. Ringvorlesung Sommersemester 2013 „Transformation des Energiesystems“, 12. Juni 2013


Ihr Amuse Gueule …


11 Prinzipien für intelligente Stromnetze1. EE-Primärenergie kann in Deutschland primär nur aus Sonne und Wind gewonnen werden (größtenteils Strom):

• Biokraft- und Brennstoffe scheitern am Flächenbedarf (ggf. Import aus Osteuropa und Entwicklungsländern)

• Luft- und Erdwärme ist nur „im Kleinen“ nutzbar• Wasserkraft (Regen, Meere) ist wenig verfügbar• Sehr effiziente/wirtschaftliche Solarthermie wird

unterschätzt2. EE dürfen nicht nur zur Stromerzeugung, sondern müssen auch für Mobilität, Wärme/Kälte und Kraft eingesetzt werden (Unternehmen, Organisationen und Privathaushalte)


Transformation des Energiesystems

Transformation desEnergiesystems

Ersatz fossiler durcherneuerbare

Energieträger

BessereEnergie-effizienz

GeringererEnergie-

verbrauchEnergieeinsparung:• Gebäude (Klima/Warmwasser)• Verkehr (Straße/Luft/Schiene/Wasser)• Produktion (Kraft/Wärme/Kälte)• Licht

„Mehr Nutzenergie ausPrimärenergieträger“:• Fossile Energieträger• Erneuerbare Energieträger

Umwandlung in erneuerbare Energieträger:• Sonnenwärme und Sonnenstrom• Erd- und Luftwärme• Windkraft und Windstrom• Wasserkraft und Wasserstrom• Biomasse -> Methan, Alkohol, Öle usw.

Speicherung und Transport erneuerbarer Energieträger:• Batterien (Strom, chem.)• „Biotanks“ (Gas und Flüssigkeiten, chem.)• Stauseen und „Druck“ (potent. Energie)• Erdgasnetz und Kavernen (chem.)• Wärme- und Kältespeicher (physik.)



• Ziele der Transformation des Energiesystems:

• Reduktion des Verbrauchs fossiler, nicht erneuerbarer Energieträger (Öl, Gas, Kohle, Uran)

• Reduktion der Treibhausgasemissionen (CO2, Methan usw.)

• Begrenzung der Energiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus ca. 5% p.a.)

• Reduktion der Energieimporte Deutschlands

• Randbedingungen:

• Energieversorgungssicherheit jederzeit und überall




• Begrenzung derEnergiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus 5% p.a.)

• Reduktion derEnergieimporte Deutschlands


Transformation des EnergiesystemsImportierte (Primär)Energie: Ca. 80 Milliarden € p.a.Öl (45%) mit20% aus Russland8% aus Groß-Britannien4% jeweils aus Norwegen,

Kasachstan and Nigeria Erdgas (40%) mit16% aus Russland 12% jeweils aus Norwegen und den NiederlandenKohle (15%) mit5% jeweils aus Kolumbien, den USA und aus Polen

Kosten (Nutz)energie:Ca. 260 Milliarden € p.a. mit31% Kraftstoffe fossil 27% Elektrizität23% Erdgas (exkl. Elektrizität)11% Heizöl4% Fernwärme4% Kohle (exkl. Elektrizität)

aufgewendet für

31% Mobilität27% Gebäudeklima/Warmwasser23% Industrieprozesse19% Kraft und Licht

Energiesteuern und -abgaben:Ca. 70 Milliarden € p.a. (27%)


• Begrenzung derEnergiekosten (Unternehmen, Privathaushalte, derzeit plus 5% p.a.)

• Reduktion derEnergieimporte Deutschlands

12. Juni 2013 ©2013: Prof. Dr. Michael H. Breitner ([email protected])

2500 TWh/a

2013 2050

1500 TWh/a

10% EE in D

> 80% EE in D

Erneuerbare Energie-erzeugung durch• zentrale Photovoltaik,• dezentrale Photovoltaik,• zentrale Solarthermie,• dezentrale Solarthermie,• Onshore Windkraft,• Offshore Windkraft,• Biogasanlagen,• zentrale Geothermie,• dezentrale Geothermie,• Wärme/Kälte-Pumpen,• Wasserkraft und• Kernfusion

Fossile Energie ist überall und jederzeit einfach und preiswert verfügbar

Erneuerbare Energie wird (teils) volatil erzeugt und muss gespeichert, umgewandelt und transportiert werden (Zusatzkosten)

Transformation

Gebäudeklimatisierung und Warmwassererzeugungmit fossilen, endlichen Energien, z.B. Öl, Gas, Kohle, Nuklearbrennstoffen



Energieerzeugung und -verbrauch in D• Energieverbrauch in D ca. 2500 TWh/a (2013):

• Ca. 1200 TWh/a Wärme

• Ca. 700 TWh/a Verkehr

• Ca. 600 TWh/a Strom

• Import fossiler Energie 55 Mrd. Euro/a (2013):

• 100% Uran,

• 98% Erdöl, 85% Erdgas und

• 72% Steinkohle

-> EE Import Einsparung 9 Mrd. Euro/a (2013)

• EE Anteil ca. 300 TWh/a (Strom 18%, Wärme 9%, Verkehr 6%, insges. ca. 12%)

Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE)

Strom

gesamt


Energieerzeugung und -verbrauch in D

10

• EE Beschäftigte:

• 2013 ca. 300.000 (30% Windenergie, 35% Bioenergie, 30% Solarenergie)

• 2020 geschätzt ca. 450.000 bis 550.000

• Investitionen (2013):

• in konventionelle Strom- und Gasversorgung ca. 15 Mrd. Euro/a

• in EE ca. ca. 15 Mrd. Euro/a (2020 dann geschätzt ca. 30 Mrd. Euro/a)

• lt. nationaler Aktionsplan für EE (NAP, 2010) über 30 Mrd. Euro gesamt in zusätzlich 10 GW Offshore-Windenergie (OW) Installation bis 2020 (Vermeidung von 40 Mill. t CO2 p.a. = 5% für 2010)

• Finanzierung eines riskanten OW-Park Projekts i.d.R. 2 – 3 Mrd. Euro

• Deutsche Energieagentur (dena, 2010):

• bis 2020 werden 3.600 km neue Stromleitungen benötigt

• bis 2025 zusätzlich Anpassung von ca. 10.000 km Netz und von ca. 10.000 Umspannstationen und Trafos

Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE)


Intelligente Stromnetze als Teil der Transformation des Energiesystems

IntelligenteStromnetze





11 Prinzipien für intelligente Stromnetze1. EE-Primärenergie kann in Deutschland primär nur aus Sonne und Wind gewonnen werden (größtenteils Strom):

• Biokraft- und Brennstoffe scheitern am Flächenbedarf (ggf. Import aus Osteuropa und Entwicklungsländern)

• Luft- und Erdwärme ist nur „im Kleinen“ nutzbar• Wasserkraft (Regen, Meere) ist wenig verfügbar• Sehr effiziente/wirtschaftliche Solarthermie wird

unterschätzt2. EE dürfen nicht nur zur Stromerzeugung, sondern müssen auch für Mobilität, Wärme/Kälte und Kraft eingesetzt werden (Unternehmen, Organisationen und Privathaushalte)3. Heutige Infrastruktur (Strom-/Gasnetz) mussgenutzt und weiterentwickelt werden („Re-Powering“)


Stromnetze in D („Gegenverkehr“)

13

„Einbahnstraßen“(traditionell)

„Gegenverkehr“(heute)

Prosumer

Prosumer

Prosumer

Prosumer

Prosumer


Stromnetze in D (nach Unbundling, leider)

14


Energieerzeugung und -verbrauch in D

15

Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE), 2010

• Energieverbrauch in D ca. 2500 TWh/a (2010):

• Ca. 1200 TWh/a Wärme

• Ca. 700 TWh/a Verkehr

• Ca. 600 TWh/a Strom


Stromnetze in D („Offshore Finanzierung“)

Quelle: TenneT, Dr. Hoffmann, Leibniz Zukunftsdialog, 19. Mai 2011

800 MW75 km Seekabel90 km Landkabel850 Mio. Euro

1200 MW125 km Seekabel75 km Landkabel1200 Mio. Euro 580 MW

85 km Seekabel45 km Landkabel700 Mio. Euro

Insgesamt:Ca. 2500 – 3000 Mio. Euro pro1000 MW (= 2,5 – 3 Mrd. Euro pro GW)Volllast 3000 –4000 h/a = ca. 5 TWh/a pro 2,5 – 3 Mrd. Euro


Stromnetze in D („Offshore Finanzierung“)

800 MW75 km Seekabel90 km Landkabel850 Mio. Euro

1200 MW125 km Seekabel75 km Landkabel1200 Mio. Euro 580 MW

85 km Seekabel45 km Landkabel700 Mio. Euro

• Komplexes Risikomanagement schwierig (Technik, Logistik, Netze, Wetter, Projekt, Politik usw.)

• Risikokapitalgeber fehlen (nur ca. 12 Banken weltweit)

• Es darf keine Rückschläge geben


Infrastruktur/Ausbau der Stromnetze in D








11 Prinzipien für intelligente Stromnetze4. Strom ist ein universell verwendbarer Energieträger (Mobilität, Wärme/Kälte, Kraft und Licht), aber nur schlecht speicherbar (Ausnahme: Batterien in Elektro-Fahrzeugen und Hausspeichern, „teuer“)

5. Strom ist in speicherbare Energieträger transformier-bar, jedoch treten große Energieverluste auf (z.B. Gas)


Potentiale der Photovoltaik/Solarthermie


Potentiale der Windenergie (on-/offshore)

Quelle: Fraunhofer Gesellschaft (IWES) und Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE), 2010


Volatilität der Windenergie und Photovoltaik in D (ca. 2020)




Tägliche mittlere Last in D (ca. 2020)




6. EE soll – soweit möglich und sinnvoll – dort erzeugt werden, wo sie gebraucht wird


Quelle: E.ON Avacon und statistisches Landesamt Niedersachsen (2008)

Stromverbrauch regional unterschiedlich




Langfristige Lastverschiebung (Ort, Zeit)• Große Stromüberschüsse in Norddeutschland können

nicht nur transportiert, sondern auch für die „Energiewende“ sinnvoll genutzt werden („Strom muss dann günstig sein“):

• Verlagerung von energieintensiver Produktion, z.B. Stahlindustrie, chemische Industrie, Baustoffherstellung und Spezialschiffbau

• Zyklische Produktion in Zeiten von Stromüberschüssen

• Elektro-Mobilität in Norddeutschland (1 Million kleinere E-Fahrzeuge a 20.000 km p.a. verbrauchen ca. 4 TWh p.a. = Jahresproduktion von 2 großen Nordsee-Windparks a 500 MW)

• Elektro-Heizungen in öffentlichen und privaten Gebäuden (mit Wärmepumpen) in Norddeutschland




6. EE soll – soweit möglich und sinnvoll – dort erzeugt werden, wo sie gebraucht wird7. Strompreise müssen in naher Zukunft zeitabhängig und ortsabhängig sein (mit Ankündigung und planbar)

8. Energieverbraucher (Kunden) müssen sich langfristig teils zeitlich und räumlich der volatilen Erzeugung von EEanpassen (Anreizsysteme und Märkte, statt Regulierung)


Informationen/Prognosen: EE-Erzeugung, Stromverbrauch und Netzentgelte

• Heute leider nur Informationen von Großkunden (haben „Smart Meter“ = intelligente Stromzähler), von „Trafos“ und von Übertragungs- und Verteilnetzen verfügbar

• Bis 2020 sollen alle Stromverbraucher und -erzeuger Smart Meter erhalten (EU Richtlinie)

• Smart Meter sollen langfristig nicht nur messen, sondern auch variable Preissignale empfangen, darstellen und Stromverbraucher und -erzeuger (Photovoltaik und KWK-Anlagen) fernsteuern können

• Smart Meter sollen langfristig automatisch in Verbraucher- und Erzeugerverbünden mitwirken

• Variable Netzentgelte („up/down“) ggf. verfügbar


Risiken und Probleme von Smart Metern• Wer trägt die Kosten in

Milliardenhöhe (Einbau, Betrieb, Vernetzung)?

• Wie werden die Informationen übertragen?

• Wer hat Zugriff auf Daten?

• Wird ein Bürger und ein Unternehmen gläsern und wird der Datenschutzaufgegeben? (z.B. werden Fernsehprogramme, Produkte und Aktivitäten messbar)


Lastverschiebung in Privathaushalten

2010 – 2013


Lastverschiebung in Privathaushalten

2010 – 2013


Lastbalancierung: Simulation vonpreisabhängigem Verbrauch

Quelle: Cornelius Köpp, IWI, Leibniz Universität Hannover


Lastbalancierung: Simulation von KWKStromerzeugung durch BHKW und VKW

Quelle: Cornelius Köpp, IWI, Leibniz Universität Hannover


SmartNord Forschungsverbund

2012 – 2015


SmartNord Forschungsverbund

2012 – 2015


11 Prinzipien für intelligente Stromnetze9. Energiekosten steigen mit sinkender Integration undsinkender Kooperation der Energieversorgung (Ort -> Region -> Deutschland -> Europa -> Welt)


Beispiel: DESERTEC (interkontinental)

Quelle: www.desertec.org/de


Beispiel: DESERTEC (interkontinental)

Quelle: www.desertec.org/de

• Enorme deutsche Investments (politisch und technologisch riskant!) würden eine sehr, sehr kosteneffiziente Strom- und Energieproduktion in attraktiven Gegenden wie Griechenland oder der Sahara ermöglichen

• Enorme Transformations- (z.B. Wasserstoff oder Methan) und Transport-kapazitäten wären nötig (Stromleitungen, Pipelines, Tankschiffe usw.)


11 Prinzipien für intelligente Stromnetze9. Energiekosten steigen mit sinkender Integration undsinkender Kooperation der Energieversorgung (Ort -> Region -> Deutschland -> Europa -> Welt)

10. Stromerzeugung (Wind/Sonne) wird günstiger, jedoch verursacht der rasch steigende Bedarf an Stromtrans-port sowie Stromtransformation und -speicherung hoheneue Kosten („Eigenverbrauch wird wirtschaftlicher“)

11. Transformation des Energiesystems führt zu stark wach-sender Bedeutung von Strom für Energieversorgung:

• Investitionen müssen privat „von unten kommen“ (nicht nur „vom Staat“ oder von Großkonzernen)

• EE-Erzeugung wird demokratisiert („Teilhabe vieler“)


EE-Erzeugung aus Photovoltaik

Solarthermie ist noch wirtschaftlicher, liefert aber nur „warmes Wasser“


Finanzierung der „Energiewende“






• Sie können in eigene Immobilien investieren (zusätzlich Steuervorteile möglich, teils auch in Mietwohnungen)

• Energiekostensenkung (Fassaden-/Fenstersanierung)

• Photovoltaik (EEG Garantie 15/20 Jahre, ca. 10% p.a.)

• Solarthermie (sehr effizient und wirtschaftlich)

• Gebäudetechnik (u.a. Kraft-Wärme-Kopplung)

• Wärmepumpen (Erde und Luft)

• dezentrale Energiespeicher (Batterien, große Warm-wasserspeicher), evtl. gekoppelt mit Elektro-Mobilität

• Energiekostenanstieg (Gebäude und Mobilität p.a. langfristig bei 4% bis 5%) und wahrscheinlich höhere, variable (Zeit und Ort) Netzentgelte

Ihre Finanzierung der „Energiewende“


Zum Dessert: Photovoltaik lohnt sich oft auch an Balkonen (und für Mieter):

wolkenlos bewölkt

wolkenlos bewölkt

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Option: Ost-/Westausrichtung


Und nun Ihr Dessert …

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