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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

1

2

3

4

3

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?

4

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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2

3

4

7

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

8

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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2

3

4

10

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]

11

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)

15

Andrej Guminski, M.Sc.

+49 (89) 158121-34

aguminski@ffe.de

Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH

Am Blütenanger 71

80995 München

www.ffegmbh.de

Fragen und Diskussion sind sehr erwünscht! Danke!

16

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

18

Technology cost assumptions in the domestic and SME sector

19

Technology cost assumptions in the industry and district heat

sector

20

Fuel cost assumptions

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

22

District heat methodology

23

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

24

Industry: Temperature level and electrical technology choice

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

26

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