1 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Langfristige Auswirkungen von sich...

1 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004

Langfristige Auswirkungen von sich verändernden Stromkosten auf eine

dezentrale Energieversorgung in urbanen Energiesystemen

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching

WissenschaftsZentrumUmwelt, U Augsburg

Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, U Augsburg

68. DPG-Physikertagung

München, 25. März 2004

Dr. Stephan Richter

Kontakt: [email protected]


LondonParis

HamburgBerlin

Warum sind urbane Energiesysteme bedeutsam?

Moskau

St. Petersburg

Madrid

Mailand

Kopf proerungLandbevölk

kerungStadtbevöl brauchEnergiever = 3.0 = 2.2

Süd-, West-europa

China, Thailand

Die hohe Energiedichte hebt urbane Regionen besonders hervor Optimierung dieser Systeme ist Chance und Herausforderung zugleich

Lumineszenz Energieverbrauch


1. Einleitung

2. Methodisches Vorgehen

3. Fallbeispiel Augsburg

4. Diskussion der Ergebnisse

Inhalt


• Abbildung des Ist-Systems einer Stadt als RReferenzEEnergieSSystem (RESRES)

• Ermittlung zukünftiger, ooptimierter EEnergieSSysteme (OESOES), die der Forde-

rung nach Nachhaltigkeit genügen

• Aufzeigen möglicher Entwicklungspfade und Zielpunkte einer nachhaltigen

Entwicklung urbaner Energiesysteme

Vergleich der OES mit dem RES und der OES miteinander

Aufgabenplan von URBS

Nachhaltigkeit im Sinne der Brundtland-Definition von 1987

Nachhaltiges Energiesystem := Ein Energiesystem, in dem hinreichend Energie zu akzeptablen Kosten verfügbar ist, so dass die sozio-ökonomische Entwicklung nicht beschränkt wird. Gleichzeitig dürfen nur minimale Negativeinwirkungen auf die Umwelt resultieren.

Einsatz der Methode URBS =

Die Methode URBSURBS wurde entwickelt, um urbane Energiesysteme integralbeschrieben und für die Zukunft optimieren zu können.

UUrban RResearch Toolbbox: Energy SSystems

Um Energiesysteme integral betrachten zu können, müssen die zahlreichen Einflussgrößen auf diese urbanen Energiesysteme berücksichtigt werden!


Die Methode URBS im Überblick

…

…

…

…Stadt-

entwick-lungs-modul

Energie-technik-modul

Umwelt-modul

Energie-nachfrage-

modul

…Woh

nrau

m u

nd

Geb

äude

Energie-

struktur

Wirtschafts-struktur

Bevölk

erun

g

und

Erwer

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struk

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Bevölk

er-

ungs

zahl

Besch

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gte

… Raum-wärme

Prozess-wärme

…

Wärme

Str

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ht

Referenz- energie-

system (RES)

optimiertes

Energie-

system(OES)

Verfü

gbar

keit

von

Techn

iken

in de

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unft

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nftig

e E

ntw

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-pf

ade

atmosphä-rische

Dispersion

lokale

Energ

ie-

ress

ourc

en

Abfallströme

Hyd

rosp

häre

Pedosphäre


Stadtentwicklungsmodul• Identifikation, Sammlung und Analyse

der Indikatoren der Stadtentwicklung

mit Einfluss auf das Energiesystem• Projektion der Indikatoren in die

Zukunft, um so die Anforderungen an

das Energiesystem zu formulieren

EnergietechnikmodulUnter der Annahme von technischen

Entwicklungen und Kosten für die

Zukunft werden mögliche technische

Entwicklungspfade vorgeschlagen.

Hieraus werden die kosten- und

emissionsoptimalen Technikkombina-

tionen zur Nachfragedeckung ermittelt.

EnergienachfragemodulBasierend auf dem Stadtentwicklungs-

modul werden zeitlich hoch aufgelöste

Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die

Projektionsjahre generiert

(Elektrizität, NT-Wärme, …)

Umweltmodul• Abschätzung des Potentials lokal/

regional begrenzt verfügbarer

Energieträger (Erneuerbare Energien)• Integrale Betrachtung der Umwelt-

einflüsse der OES durch die

Einbeziehung der atmosphärischen

Dispersion verschiedener Emissionen

Stadtentwicklungsmodul• Identifikation, Sammlung und Analyse

der Indikatoren der Stadtentwicklung

mit Einfluss auf das Energiesystem• Projektion der Indikatoren in die

Zukunft, um so die Anforderungen an

das Energiesystem zu formulieren

EnergietechnikmodulUnter der Annahme von technischen

Entwicklungen und Kosten für die

Zukunft werden mögliche technische

Entwicklungspfade vorgeschlagen.

Hieraus werden die kosten- und

emissionsoptimalen Technikkombina-

tionen zur Nachfragedeckung ermittelt.

EnergienachfragemodulBasierend auf dem Stadtentwicklungs-

modul werden zeitlich hoch aufgelöste

Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die

Projektionsjahre generiert

(Elektrizität, NT-Wärme, …)

Umweltmodul• Abschätzung des Potentials lokal/

regional begrenzt verfügbarer

Energieträger (Erneuerbare Energien)• Integrale Betrachtung der Umwelt-

einflüsse der OES durch die

Einbeziehung der atmosphärischen

Dispersion verschiedener Emissionen

Die Module von URBS


1. Einleitung





räumliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs

Kartographie: Stephan Richter, Dez. 02Quellen:Digitale Karte: Stadt AugsburgSachdaten: eigene Berechnungen

> 1500010001 - 150007501 - 100005001 - 75004001 - 50003001 - 40002001 - 30001001 - 2000501 - 10001 - 500

kein Verbrauch/ keine Einwohner/keine Daten

NStromverbrauch pro Einwohner"Tarifkunden" pro Block 2000/2001in kWh p.a. /Einwohner und Block

N

Kartographie: Stephan Richter, Jan. 03Quellen:Digitale Karte: Stadt AugsburgSachdaten: Stadtwerke Augsburg, eigene Berechnungen

kein Verbrauch/ keine Wohnfläche/keine Daten

berechneter Niedertemperatur-Wärmeverbrauch pro Wohn-fläche und Block 2000/01 in kWh/m² a

0.01 - 5051 - 100101 - 150151 - 200201 - 250251 - 300301 - 500501 - 1000> 1000


zeitliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Verbrauch Eel(1997)

= 1 336 651 801 kWhel p.a.

= 1.337 TWhel p.a.

a)

na

chfr

ag

te e

lekt

risc

he

En

erg

ie

Ee

l(t)

in M

We

l

Stunden

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Verbrauch Eel(1998)

= 1 336 822 330 kWhel p.a.

= 1.337 TWhel p.a.

b)

na

chfr

ag

te e

lekt

risc

he

En

erg

ie

Ee

l(t)

in M

We

l

Stunden

Str

omna

chfr

age

in M

W

Stunden0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Verbrauch Eth(1997)

= 2 754 538 890 kWhth p.a.

= 2.755 TWhth p.a.

NT

-Wä

rme

na

chfr

ag

e in

MW

Stunden

Elektrizität NT-Wärme

Lastgänge der Endenergienachfrage im RES


Projektion der Stadtentwicklung

Ergebnisse:

Eine Vielzahl von kumulierten Endenergienachfragemengen für die Jahre 2015 und 2025.Davon werden je drei ausgewählt: Die beiden Extrema (gering und stark) und ein mittleres Szenario.

2015 2025gering = 4.074 TWh gering = 3.559 TWhmittel = 4.639 TWh mittel = 4.489 TWhstark = 5.412 TWh stark = 5.409 TWh

RES = 4.092 TWh

Diese kumulierten OES-Endenergiemengen werden mithilfe des Energienachfragemoduls in stündlich aufgelöste Zeitreihen aufgeteilt, deren Verlauf proportional zu den RES-Zeitreihen ist.


Referenzenergiesysteme: RES1 und RES2 – Modell

WD6

S1, C

W1

W2

W3, C

W4

W5

W6

R

WD5ON

WD4OA

WD3HDK1

WD2BK

WD1GK

VN

GT

DT

MVA

SD1

Gas

RES Augsburg

Legende:

Versorgungstechniken:VN – VerbundnetzGT – GasturbineDT – DampfturbineMVA – MüllverbrennungsanlageGK – konventionelle GasheizungenBL – Gas-BrennwertheizungenHDK – HochdruckkesselOA – ältere ÖlheizungenON – neuere ÖlheizungenR – sonstige Feststoffheizungen

Verbrauch:SD – StromverbrauchWD – Wärmeverbrauch

Netze:S – StromnetzW – WärmenetzGN – Gasnetz

sonstiges:Index i – Netzkennziffer (Zuordnung einer

Versorgungstechnik zu einem Netz)Index C – Netz verursacht Netzkosten

Fer

nw

ärm

eDT

GT

MVA

HDK2

RES1 mit,RES2 ohne

Gasturbinen-Kraftwerk

20% der gesamten NT-Wärmenachfrage(Fernwärme)

7.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (Gas-Brennwertheizungen)

42.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (konventionelle Gasheizungen)

15% der gesamten NT-Wärmenachfrage(ältere Ölheizungen)

14% der gesamten NT-Wärmenachfrage(neuere Ölheizungen)

1% der gesamten NT-Wärmenachfrage(sonstige)

100% der gesamten Stromnachfrage

Ele

ktriz

itä

t

Verbundnetz

Dampfturbinen-KWMVA

Gasturbinen-KW


RES1 und RES2 – Jahresummen der Energieproduktion

RES1cost RES

1co2 RES

2cost RES

2co2

0

1x109

2x109

3x109

4x109

1.98 1.89 2.03 1.94

4.09x109 kWh = gesamte Nachfrage

sonstige neuere Ölheizungen ältere Ölheizungen Heizwerk West Heizwerk Süd Gas-Brennwertheizungen Gasheizungen Dampfturbinen-KW Gasturbinen-KW MVA Verbundnetz

CO2-Emissionen in Mt p.a.

prod

uzie

rte

End

ener

gie

in k

Wh

p.a.

CO2-Emissionen in Augsburg (ohne Verkehr) gemäß ifeu (2003):1990: 2 022 115 t1996: 1 939 328 t2001: 2 216 250 t

Berechnete Gesamtkapazitäten im Hausbrand = 961 MW;nach Statistik: [914; 1580] MW

Eigenanteil der StaWA an der Stromproduktion nach Inbetrieb-nahme des Gasturbinen-KW >20%RES1cost ~25%


RES3 – Modell

RES3 = gasdominiertes Referenz-energiesystem mit Schwerpunkt auf ungekoppelter Bereitstellung von Elektrizität und NT-Wärme.

Techniken:• Gas- und Dampfturbinen-KW zur

Elektrizitätserzeugung• Gas-Brennwertheizungen zur NT-

Wärmeerzeugung• Fernwärmenetz mit zwei Gasturbi-

nen-KW und MVA bleibt erhalten

GuD-KWKWK-Gasturbinen

MVA

Gas-BW-Heizung

Gas-BW-Heizung

Gas-BW-Heizung

Gas-BW-Heizung

Gas-BW-Heizung


RES3 – Jahressummen der Energieproduktion

CO2-Emissionen[1.20; 1.88] Mt p.a.

15 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004S1

Wi

W3, C

SF

WD i

STi

KWb

MV

GT

ED

Gas

OES25

Legende:Versorgungstechniken:VN – VerbundnetzPV – PhotovoltaikMV – MüllverbrennungsanlageGT – GasturbineKW – große KWK-AnlageMC – große MCFC-EinheitenGB – kleine, konventionelle BHKWP – kleine PEMFC-EinheitenBG – kleine, konv. Biogas-BHKWSF – Spitzenlastkessel FernwärmeHW – Holzhackschnitzel-HeizwerkSN – Spitzenlastkessel NahwärmeGH – geothermische WärmepumpeST – SolarthermieWS – saisonaler WärmespeicherXS – Spitzenlast-Anlage SolarwärmeT – HolzpelletheizungK – Hausbrandtechnik gemäß RESB – Gas-BrennwertheizungGS – GasometerVerbrauch:SD – StromverbrauchWD – WärmeverbrauchNetze:S – StromnetzW – WärmenetzGN – GasnetzBN – BiogasnetzN – NahwärmeX – Solarwärmenetz

Fern

wä

rme

KWaGHi

GB

Pi

MCa

MCb

BG

GS Bio

gas

HWa

WD 3

Na

hw

ärm

e

Ni, C

Bi

SNiLeitung

Ele

ktrizi

tät

GN

BN

Ti

Technik-Gruppe

Gi

MV

GT

KWa

MCa

GHi

Pi

GB

BG

WSi

Xi, C

Sola

rwärm

e

PV

VN

MCb

KWb

HWb

Leitu

ng

XSi

Ki

OES 2025

rot = neue Technik

Erdwärmepumpe

MCFCzentrale KWKRES-Anlagen

SpitzenlastHolzhackschnitzel

PhotovoltaikMCFC

zentrale KWK

Gas-BHKW

Biogas-BHKWPEMFC

RES-Anlagen

Gas-BHKWBiogas-BHKW

Spitzenlast

SpitzenlastSolarkollektor

SpeicherPEMFCGas-BWPellets

Technik RES

Erdwärmepumpe


OES25 1g

cost

OES25 1g

co2

OES25 1m

cost

OES25 1m

co2

OES25 1s c

ost

OES25 1s c

o2

0.0

1.0x109

2.0x109

3.0x109

4.0x109

5.0x109

6.0x109

7.0x109

8.0x109

9.0x109

1.0x1010

1.1x1010

1.2x10101.18 0.38 1.43 0.56 1.75 0.83

OES251

CO2-Emissionen in Mt p.a.

5.41

x109 k

Wh

= N

achf

rage

202

5 s

4.49

x109 k

Wh

= N

achf

rage

202

5 m

3.56

x109 k

Wh

= N

achf

rage

202

5 g

prod

uzie

rte

End

ener

gie

in k

Wh

p.a.

Spitzenlastkessel Solaranlage solare Wärmespeicher Solarkollektoren Spitzenlastkessel Nahwärme Holzpellet-Heizungen Gas-Brennwertheizungen sonstige Heizungen

6

neuere Ölheizungen5

ältere Ölheizungen4

Gas-Brennwertheizungen2

Gasheizungen1

Erdwärmepumpen Spitzenlastkessel Fernwärme Holzhackschnitzel-HW

a+b

PV Biogas-BHKW PEMFC MCFC

a+b

Gas-BHKW zentrale KWK

a+b

Gasturbinen-KW MVA Verbundnetz Nachfrage

OES 2025 – Jahressummen der Energieproduktion


OES 2025 – Monatssummen der Energieproduktion

Kostenoptimierung CO2-Optimierung

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

0.0

2.0x107

4.0x107

6.0x107

8.0x107

1.0x108

1.2x108

1.4x108

1.6x108

1.8x108

a)

PV zentrale KWK

a+b

MVA Verbundnetz Gas-BHKW PEMFC MCFC

a+b

Biogas-BHKW Gasturbinen-KW Nachfrage

prod

uzie

rte

Ele

ktriz

ität i

n kW

h pr

o M

onat

OES251 m co2


0.0

2.0x108

4.0x108

6.0x108

8.0x108

1.0x109

1.2x109 Spitzenlast solar solarer Wärmespeicher Solarkollektoren Spitzenlast Nahwärme Gas-BW-Heizungen Holzpellet-Heizungen sonstige Heizungen neuere Ölheizungen ältere Ölheizungen Gas-BW-Heizungen Gasheizungen Erdwärmepumpen Spitzenlast Fernwärme Hackschnitzel-HW

a+b

MVA Biogas-BHKW PEMFC MCFC

a+b

Gas-BHKW zentrale KWK

a+b

Gasturbinen-KW Nachfrage

prod

uzie

rte

NT

-Wär

me

in k

Wh

pro

Mon

at

b)

OES251 m co2


0.0

2.0x107

4.0x107

6.0x107

8.0x107

1.0x108

1.2x108

1.4x108

1.6x108

1.8x108

2.0x108

a)

PV MVA Verbundnetz Gasturbinen-KW Biogas-BHKW zentrale KWK

a+b

Gas-BHKW MCFC

a+b

PEMFC Nachfrage

prod

uzie

rte

Ele

ktriz

ität i

n kW

h pr

o M

onat

OES251 m cost


0.0

1.0x108

2.0x108

3.0x108

4.0x108

5.0x108

b)

Spitzenlast solar Solarkollektor Spitzenlast Nahwärme solarer Wärmespeicher Holzpellet-Heizungen Gas-BW-Heizungen sonstige Heizungen neuere Ölheizungen ältere Ölheizungen Gas-BW-Heizungen Gasheizungen Erdwärmepumpen Spitzenlast Fernwärme Hackschnitzel-HW

a+b

MVA Biogas-BHKW Gasturbinen-KW zentrale KWK

a+b

Gas-BHKW MCFC

a+b

PEMFC Nachfrage

prod

uzie

rte

NT

-Wär

me

in k

Wh

pro

Mon

at

OES251 m cost


OES 2025 – sortierte Jahresdauerlinien

Kostenoptimierung CO2-Optimierung

Verbundnetz Verbundnetz


Kosten für Verbundnetz = s · Kosten Basis-OES2

1s

4

3s

4

1s

8

1s

Kosten für Verbundnetz = s · Kosten Basis-OES2

1s

4

3s

4

1s

8

1s

OES 2025 – Sensitivität bzgl. Stromkosten

VerbundnetzVerbundnetz


Gegenüberstellung der Energiesysteme – Emissionen


Gegenüberstellung der Energiesysteme – Kosten

Dargestellt sind die Gesamtkosten, die relativ zu RES1 object aufzubringen sind, um ein System umzuformen und ein Jahr zu betreiben.


+ 8 0 0- 6 2 0 0

- 2 6 0 0- 5 8 0 0

- 5 7 0 0- 4 9 0 0

- 3 0 0 0- 3 3 0 0

+ 7 0 0- 2 8 0 0

+ 4 0 0 0- 2 4 0 0

+ 3 8 0 0- 3 0 0

+ 1 7 0 0+ 2 3 0 0

+ 2 8 0 0+ 4 4 0 0

+ 6 0 0+ 4 8 0 0

+ 1 5 0 0+ 4 3 0 0

+ 8 0 0+ 1 4 0 0

- 1 1 0 0- 2 1 0 0

- 2 6 0 0- 1 1 0 0

- 1 9 0 0- 3 0 0

- 2 9 0 0+ 1 9 0 0

- 1 9 0 0+ 1 0 0 0

- 2 9 0 0+ 3 7 0 0

- 1 1 0 0+ 2 3 0 0

M C

M VG T

K W +S F

H W

0- 4 6 0 0M o n i t o r

+ 2 8 5 0+ 4 3 5 0

1 . 1 1 8 4 %

6 . 9 4 6 8 % 6 . 0 9 1 2 %

3 . 7 0 0 9 %

4 . 2 0 8 0 %

2 . 1 3 5 1 %

5 . 6 8 8 8 %

7 . 0 0 3 7 %

1 6 . 8 4 4 3 %

0 . 0 4 9 3 %

3 . 7 9 6 3 %

4 . 6 5 6 2 %

2 3 . 5 8 9 7 %

4 . 0 5 4 6 %

1 0 . 1 1 6 7 %

Berechnung von Luftschadstoffausbreitungen

21 Punktquellen für Emissionen im Stadtgebiet

Monitorstation

Rechengitter

• (12.5 x 15) km² Rechengitter mit

75 000 Zellen, Gitterkonstante = 50m

• 3 Schadstoffe: NO2, SO2, PM

• Emissionszeitreihen aus der

Optimierung• original Windfeld vom DWD

(Messstation Flughafen Augsburg)• BLV digitales Geländemodell• ohne Vorbelastungen• Emissionsfaktoren aus GEMIS 4.13

Rahmenbedingung der atmosphärischen

Ausbreitungsrechnungen


Vergleich der Luftschadstoffbelastungen

RES1OES251

RES3


1. Einleitung





Diskussion der Ergebnisse

Anteil der dezentrale KWK an der gesamten NT-Wärmeversorung bis 2015 < 10%; bis 2025 etwa 20% denkbar, wenn mäßige Förderung anhält. Wichtig hier die technische und Kostenentwicklung bei nicht etablierten Techniken.Eine Entflechtung von Gas- und Leitungswärme-Versorgung ist erforderlich!

Die Anwendung von URBS auf Augsburg zeigt, dass URBSURBS geeignet ist, urbane Energiesysteme in der gewünschten Weise zu beschreiben. Aus den

zahlreichen Rechnungen sind qualitative und quantitative Schlüsse möglich.

Betrachtung der Luftschadstoffbelastung favorisiert bei dezentralen Syste-men BZ wegen inhärent geringen Emissionen gegenüber konventionellen KWK-Techniken. Zentrale Einheiten sind aber insgesamt bzgl. Kosten, CO2-Emissionen und Schadstoffbelastungen zusammen positiv.

Kosten und Emissionen für Strom aus dem Verbundnetz und Brenn-stoffkosten bestimmen stark die Systemzusammensetzung (betriebsabh. Größen variieren, nicht aber die kapazitätsabh. Größen).

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