Tag Cloud © Joachim Körner 2012. Google Suggest © Joachim Körner 2012.
Tobias Naegler, Joachim Nitsch, Thomas Pregger, Yvonne ... Naegler - EA Bad... · Methoden, Modelle...
Transcript of Tobias Naegler, Joachim Nitsch, Thomas Pregger, Yvonne ... Naegler - EA Bad... · Methoden, Modelle...
Methoden, Modelle und Annahmen in der BMU-Leitstudie 2011
Tobias Naegler, Joachim Nitsch, Thomas Pregger, Yvonne Scholz, Dominik Heide, Diego Luca de Tena,
Franz Trieb, Kristina Nienhaus
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
Leitstudie 2011: normative Szenarien („Zielszenarien“) im Rahmen des Energiekonzepts
- Entwicklung realistischer Transformationspfade zum Umbau des Energiesystems
- Leitstudie 2011: Umsetzung der wesentlichen Ziele für 2050 des Energiekonzepts
- THG-Emissionen: minus 80-95% - Stromverbrauch: minus 25% - Reduktion Endenergieverbrauch Verkehr: minus 40% - EE-Anteil am Brutto-Endenergieverbrauch: 60% - EE-Anteil am Brutto-Stromverbrauch: 80% - Durchbruch Elektromobilität - Atomausstieg - …
Teilaspekte der „Leitstudie“
- Mengengerüste, z. B. - Nutzenergiebedarf - Primär- und Endenergieverbrauch - installierte Leistungen Strom- und Wärmeerzeugung - energiebedingte CO2-Emissionen - Import/Export
- Validierung der Mengengerüste (Versorgungssicherheit) - dynamische Simulation der Stromversorgung - Bestimmung Ausnutzungsdauer Energieerzeuger u. Speicher
- ökonomische Bewertung - Gestehungskosten Strom, Wärme - systemanalytische Differenzkosten - Investitionen in EE-Strom- und –Wärme-Anlagen
Szenarienvarianten Leitstudie 2011
• erfüllen alle wesentliche Ziele des Energiekonzepts: • Szenario 2011 A:
• Anteil E-Mobilität an PKW-Verkehrsleistung 2050: 50% • Durchbruch von H2-Fahrzeugen (Brennstoffzelle)
• Szenario 2011 B: wie Szenario A, aber • kein H2 im Verkehr, stattdessen Verbrennungsmotoren auf EE-Methan-Basis
• Szenario 2011 C: wie Szenario A, aber • kein H2 im Verkehr, PKW-Verkehrs vollständig elektrisch (BEV und Plug-in-
Hybride)
• Szenario 2011 THG95: • Reduktion CO2-Emissionen um 95% bis 2060 • Zusätzlicher Stromeinsatz insbesondere für Wärme • H2 als chem. Speicher: Rückverstromung, HT-Prozesswärme, Verkehr
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte der Transformation des Energiesystems 6) wesentliche Schlussfolgerungen
Energiesystemmodellierung: Modell MESAP
- konsistente Bilanzierung von Stoff- und Energieflüssen - Berechnung installierter Leistungen Stromerzeugung und
Stromgestehungskosten - „Kalibrierung“ des Modells mit statistischen Daten: Treibergrößen, Primär-
und Endenergieverbrauch, Anwendungsbilanzen… - Berücksichtigung
- relevanter Primär- und End-Energieträger - relevanter Umwandlungstechnologien - relevanter Energieverbraucher und Verbrauchstechnologien - sozio-ökonomischen Treibergrößen - technologisch-ökonomische Entwicklungspfade der relevanten
Technologien (Effizienzen, Investitionskosten…)
Energiesystemmodell MESAP: prinzipielle Struktur
Treibergrößen: - BIP - Bevölkerung - Wohnfläche - …
Endenergieverbrauch: - Verkehr - Industrie - private Haushalte - GHD
Primärenergieverbrauch CO2-Emissionen
Umwandlungssektor: - Kraftwerke - Heizkraftwerke - Heizwerke - H2-Erzeugung/Methanisierung - …
Substruktur: Beispiel Industriesektor
Verbrauchssektoren: - Raumwärme - Warmwasser - Prozesswärme - mechanische Energie - Beleuchtung, Kommunikation
Substruktur: Beispiel Prozesswärme Industrie
Technologien zur Wärmeerzeugung: - Gasbrenner - Ölbrenner - Biomassebrenner - Wärmepumen - Solarthermie - Fernwärme - …
Technologiebeschreibungen: Datenblätter
> Leitstudie 2011 > Tobias Naegler • Institutsseminar IUP Heidelberg > 12.07.2012 www.DLR.de • Folie 12
Pellet-Ofen Haushalte (<25kW)
Einheit 2009 2010 2015 2020 2030 2040 2050TechnikWirkungsgrad thermisch ηth 0,80 0,80 0,80 0,81 0,81 0,82 0,82Volllaststunden h/a 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500Anteil ETS % 0 0 0 0 0 0 0KostenAbschreibungsdauer a 20 20 20 20 20 20 20Zinssatz % 6 6 6 6 6 6 6spezifische Investitionen €/kWN 1585 1580 1554 1529 1461 1376 1325Brennstoffkosten (Kleinabnehmer) €/kWhend 0,043 0,043 0,043 0,054 0,054 0,054 0,054(spezifische) Betriebskosten €/(kWN · a) 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9
% Invest/a 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4€/kWhth 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
spezifische Verbrauchskosten €/(kWN · a) 80,61 80,61 80,36 100,13 99,52 98,90 98,30€/kWhth 0,054 0,054 0,054 0,067 0,066 0,066 0,066
Kosten für CO2-Zertifikate €/kWhth 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000Jahreskosten €/(kWN · a) 223,66 223,21 220,74 238,30 231,75 223,74 218,69Wärmegestehungskosten €/kWhth 0,149 0,149 0,147 0,159 0,155 0,149 0,146
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
Prämissen/Grundannahmen im Stromsektor - Reduktion Endenergieverbrauch Strom um 25% bis 2050 - EE-Anteil am Bruttostromverbrauch >80% Prämisse stabiler
Inlandsmärkte - konventioneller Kraftwerkspark: Rückbau von Grundlastkraftwerken,
höherer KWK-Anteil, flexible Gaskraftwerke - Atomausstieg - starke Rolle der Windkraft, begrenzter Ausbau PV aufgrund starker
Fluktuation/Leistungsspitzen - begrenzte Biomassenutzung wg. limitierter nachhaltiger Potenziale,
Einsatz vor allem in KWK-Anlagen - EE-Stromimport (einschl. CSP) zur Versorgung und für Lastausgleich - Netzausbau im nationalen und europäischen Übertragungsnetz
nationaler und europäischer Last- und Erzeugungsausgleich - Netzausbau im Verteilnetz und variable Tarife ermöglichen Erzeugungs-
und Lastmanagement
Komponenten des Bruttostromverbrauchs Szenario A
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 20500
100
200
300
400
500
600
700
612 607591
572 566 556 571 583
Bru
ttost
rom
verb
rauc
h, [T
Wh/
a]
ÜbrigerVerbrauch *)Wasserstoff-erzeugungElektro-mobilitätWärme-pumpenVerkehr,Schiene
GHD**)
PrivateHaushalte**)EndenergieIndustrie
*) Eigenverbrauch Kraft-werke; Netzverluste; Pump-strom; Exportsaldo; Übrig. Umwandlungssektor.
SZEN11/STR-END; 8.10.11
**) ohne Wärmepumpen
574 562 548 558 564
585 617 614
Struktur der Bruttostromerzeugung Szenario A
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 20500
100
200
300
400
500
600
700
614 617585
564 558 548562 574
Bru
ttos
trom
erze
ugun
g, [T
Wh/
a]
EE-Wasserstoff(KWK, GT)EuropäischerVerbund EE
Photovoltaik
WindOffshoreWind anLand
Geothermie
Laufwasser
Biomasse,biogen. AbfälleKWK, Gas, KohleErdgas, ÖlKond.BraunkohleKond.SteinkohleKond.
Kernenergie
SZEN11/STR50-A; 7.10.11
Struktur der Stromerzeugungskapazitäten Szenario A
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 20500
50
100
150
200
250
133
163
186
203210 215
223 225
Bru
ttole
istu
ng K
raftw
erke
, GW
Europ.Verbund EEPhotovoltaikWindOffshoreWind anLandAndereSpeicherEE-Wasser-stoffGeothermie
Laufwasser
BiomasseKWK fossilErdgas, ÖlKond.BraunkohleKond.SteinkohleKond.Kernenergie
SZEN11/ S-LEIS-A; 7.10.11
Höchst- last
Gesicherte Leistung
Prämissen/Grundannahmen im Wärmesektor
- große Effizienzpotentiale Raumwärme: spez. Endenergieverbrauch für Raumwärme: -50%, fossiler Primärenergieverbrauch -80% bis 2050
- langfristig bedeutende Rolle der Kraft-Wärmekopplung und netzgebundener Wärme (Solar- und Geothermie, Langzeitspeicherung)
- deutliche Steigerung EE-Wärme, insbesondere im Raumwärmesektor und bei netzgebundener Wärme
- Einsatz von EE-Strom im Wärmebereich (Substitution fossiler Brennstoffe, insb. Wärmepumpen für Raumwärme, Elektroheizer für Prozesswärme)
- Flexibilisierung der KWK: mit Wärmespeichern und in Bezug auf Wärmehöchstlast größer dimensionierte Anlagenleistung
- begrenzte Rolle von Biogas und Biomasse aufgrund limitierter nachhaltiger Biomassepotentiale
Endenergieverbrauch für Wärme
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2009 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050
Ende
nerg
ieve
rbra
uch
für W
ärm
e [P
J/a]
Strom (direkt)
Strom (Wärmepumpe)
Heizöl (direkt)
Kohle (direkt)
Erdgas (direkt)
Fern-/Nahwärme (fossil)
Industrielle KWK (fossil)
Biomasse (individuell)
Biomasse (Nahwärme)
Solarthermie (Nahwärme)
Solarthermie (individuell)
tiefe Geothermie (Nahwärme)
Umweltwärme (Wärmepumpen)
-45% Endenergie bis 2050 ~50% EE-Anteil bis 2050
Prämissen/Grundannahmen im Verkehrssektor - leichter Rückgang Personenverkehrsleistung
- deutlicher Anstieg der Güterverkehrsleistungen, insbesondere auch der Bahn und des Schiffsverkehrs
- Realisierung von Effizienzpotentialen im gesamten Verkehrsbereich, insbesondere bei konventionellen Antrieben (PKW: 50-60%, LKW: 30%)
- konsequente Verschärfung der CO2-Grenzwerte für Neufahrzeugflotten
- begrenzte nachhaltige Biokraftstoffpotenziale fundamentaler Strukturwandel mit neuen Antriebstechnologien und einer veränderten Versorgungsinfrastruktur
- Durchbruch der Elektromobilität vor allem bei den PKW
- langfristig dritter erneuerbarer Kraftstoff im Verkehr (H2, CH4, synthetische Kohlenwasserstoffe, jeweils aus EE-Strom)
- detaillierte Untersuchung von drei Unterszenarien im Verkehr mit unterschiedlichem Beitrag E-KFZ (BEV, EREC), EE-H2 (BZ, VB), EE-CH4
Entwicklung des Endenergieverbrauchs Verkehr Szenario A, nach Energieträgern
0
500
1000
1500
2000
2500
2005 2008 2009 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050
Ende
nerg
ieve
rbra
uch
Verk
ehr,
PJ/a
Wasserstoff
Biokraftstoffe
Strom
Erdgas
Kerosin
Benzin
Diesel
Reduktion Endenergieverbrauch um 40% bis 2050 ~50% EE-Anteil bis 2050
Auswirkungen Verkehr auf Gesamtsystem: Bruttostromverbrauch A (50% E-Mob, EE-H2)
*) Eigenverbrauch, Transport- und Speicherverluste, nicht-endenergetischer Verbrauch **) ohne Wärmepumpen
Auswirkungen Verkehr auf Gesamtsystem: Bruttostromverbrauch B (50% E-Mob, EE-CH4)
*) Eigenverbrauch, Transport- und Speicherverluste, nicht-endenergetischer Verbrauch **) ohne Wärmepumpen
Auswirkungen Verkehr auf Gesamtsystem: Bruttostromverbrauchs C (100% E-Mob)
*) Eigenverbrauch, Transport- und Speicherverluste, nicht-endenergetischer Verbrauch **) ohne Wärmepumpen
Importabhängigkeit Energieversorgung
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
dynamische Simulation Stromerzeugung & Validierung der Mengengerüste: Modell Remix
Strombedarf
Konventionelle ErzeugungNuklear, KohleCCGT, Gas
SpeicherPumpspeicherDruckluftspeicherWasserstoff
LastmanagementIndustrie & Haushalte(in Entwicklung)
Elektrofahrzeuge-EV
Wärmebedarf
DC - ÜbertragungHGÜ Überlandleitung oder Erdkabel
AC - Übertragungbasierend auf dem „heutigen”AC-Übertragungsnetz (Europa)
x
BEV/EREV: unterschied. Ladestrategien, V2G.Batteriekapazität der Flotte in zeitlicher Auflösung.
FCEV: flexible On-siteH2-Erzeugung
Flex. KWK-Betrieb:- Wärmespeicher- Spitzenkessel
Potenziale zur Stromerzeu-
gung mit Erneuerbaren
Optimisierungs-Modul REMixKostenminimierte Versorgung zeitlich & räumlich aufgelöst
Mo. 30.10 Di. 31.10 Mi. 1.11 Do. 2.11 Fr. 3.11 Sa. 4.11 So. 5.11
Modell
Ergebnis:Erzeugungs- & Speicherstrategien
Strombedarf
Konventionelle ErzeugungNuklear, KohleCCGT, Gas
SpeicherPumpspeicherDruckluftspeicherWasserstoff
LastmanagementIndustrie & Haushalte(in Entwicklung)
Elektrofahrzeuge-EV
Wärmebedarf
DC - ÜbertragungHGÜ Überlandleitung oder Erdkabel
AC - Übertragungbasierend auf dem „heutigen”AC-Übertragungsnetz (Europa)
x
BEV/EREV: unterschied. Ladestrategien, V2G.Batteriekapazität der Flotte in zeitlicher Auflösung.
FCEV: flexible On-siteH2-Erzeugung
Flex. KWK-Betrieb:- Wärmespeicher- Spitzenkessel
Potenziale zur Stromerzeu-
gung mit Erneuerbaren
Optimisierungs-Modul REMixKostenminimierte Versorgung zeitlich & räumlich aufgelöst
Mo. 30.10 Di. 31.10 Mi. 1.11 Do. 2.11 Fr. 3.11 Sa. 4.11 So. 5.11
Modell
Ergebnis:Erzeugungs- & Speicherstrategien
Lastdeckung im Jahr 2050: Ergebnisse von Remix
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
Verkehr: Flottensimulationsmodell Vector 21 (DLR-FK)
Computer-Modell
Energieverbrauch Technologiekosten Kraftstoffpreise, Steuern, …
Verkäufe / Marktanteile CO2-Emissionen
Fahrzeug
Technik-
komponenten
Effizienz-
pakete
Antriebs-
konzept
Kraftstoffart
Fahrzeuggröße
Auswahl “Adopter”-Typ Kunden
(900 Gruppen)
Jahres-
fahrleistung
Fahrzeuggröße
Zahlungs-
bereitschaft
Quelle: DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart
Verkehrssektor: Entwicklung PKW-Fahrzeugflotte
50%
100%
0% 2020 2010 2030 2040 2050
Ante
il an
PK
W-F
lotte
in D
„Wasserstoff- -Szenario“ (Szenario 2011 A) FCV
GHyb
BEV EREV
CNG
D
G
DHyb
CNGHyb
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
Entwicklung spezifische Investitionskosten für EE-Technologien
jährliche Investitionen in EE-Strom und -Wärme
> Leitstudie 2011 > Tobias Naegler • Institutsseminar IUP Heidelberg > 12.07.2012 www.DLR.de • Folie 34
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2030
2040
2050
2060
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
Jähr
liche
Inve
stiti
onen
, Mio
. EUR
(200
9)/a
Wasser Wind Fotovoltaik BiomasseStrom
ErdwärmeStrom
Europ. Stromverbund
BiomasseWärme Solarwärme Erdwärme,
Wärmepumpen H2-Elektrolyse
SZEN11/INV-EE; 2.12.11
Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien
2000 2010 2020 2030 2040 2050 20600.00
0.05
0.10
0.15
0.20
Stro
mge
steh
ungs
kost
en, E
UR(2
009)
/kW
h
Wasser
WindOnshore
WindOffshore
Fotovoltaik
Geothermie
Europ.Verbund
FesteBiomasse
Biogase,Deponiegas
Mittelwert
Mittelwertohne PV
Szen11/STR-KOS1; 15.11.11
EE - Neuanlagen
Entwicklung Kosten fossile Brennstoffe
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ölp
reis
(Jah
resm
ittel
wer
t) , $
200
9/b
Nominal
Real (Geld-wert 2007)
Pfad A:"Deutlich"
Pfad B:"Mäßig"
WEO 2010New Policy
WEO 2010Current Pol.
preis11/oelpr-11; 24.10.11
2011
Entwicklung CO2-Zertifikatspreise
Stromgestehungskosten konventioneller Kraftwerke - Preispfad A: "Deutlich" (Zins 6%/a, Abschr. 25 a, 6000 h/a) -
2005
2010
2020
2030
2040
2050
2005
2010
2020
2030
2040
2050
2005
2010
2020
2030
2040
2050
0
2
4
6
8
10
12
14
16
3.66
5.01
5.98
7.32
8.61
9.96
4.38
5.74
7.76
9.78
11.69
13.55
4.94
5.90
7.62
9.44
11.31
13.12
Stro
mge
steh
ungs
kost
en, c
t(200
9)/k
Wh
CO2-Aufschlag
Brennstoff
Betriebs-kostenKapital-kosten
Erdgas - GuD Braunkohle Steinkohle
SZEN11; KW-KOSA, 16.11.11
Preispfad B: "Mäßig"
Steinkohle-KW: Abhängigkeit der Stromgestehungskosten von Volllaststunden
> Leitstudie 2011 > Tobias Naegler • Institutsseminar IUP Heidelberg > 12.07.2012 www.DLR.de • Folie 39
Beispiel systemanalytische Differenzkosten Stromerzeugung
- Szenario 2011 A, gesamte EE-Stromerzeugung -
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
Diffe
renz
kost
en, M
rd. E
UR (2
009)
/a
Pfad A:Deutlich
Pfad B:Mäßig
Sehrniedrig
Externe Kosteninternalisiert Ist
SZEN11/DIFVAR1; 12.11.11
- Szenario 2011 A; alle EE; Preispfad A -
bis 2010 2011-2020 2021-2030 2031-2040-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Kum
ulie
rte D
iffer
enzk
oste
n, M
rd.E
UR (2
009)
Fotovoltaik
Strom ohneFotovoltaik
Wärme
Kraftstoffe
Szen11/DIFKUMGES; 12.11.11
Summenwert 2041- 2050: -543 Mrd. €
+ 71
+ 139
+ 9
- 249
Kumulierte Differenzkosten der gesamten Energiebereitstellung aus EE im Szenario 2011 A für 10-Jahres-Abschnitte und Preispfad A
Überblick
1) Leitstudie im Rahmen des Energiekonzepts 2) Energiesystem-Modell MESAP 3) Mengengerüste der Leitstudie 2011 4) Szenario-Validierung
a) Versorgungssicherheit Strom b) Validierung PKW-Szenario
5) ökonomische Aspekte 6) wesentliche Schlussfolgerungen der Leitstudie 2011
wesentliche Schlussfolgerungen I
- Ziele des Energiekonzepts strukturell-technologisch prinzipiell erreichbar
- Herausforderungen beim Transformation des Energiesystems
insbesondere in den Bereichen Wärme
- Effizienzsteigerung im (Raum-)Wärmesektor: große Potentiale insbesondere bei Sanierung Gebäudebestand, aber schwer zu heben
- Ausbau EE-Wärme: ungenügende Förderinstrumente, strukturelle Hemmnisse (Wärmenetze, Wärmespeicher zur effizienten Nutzung von KWK, Solar- und Geothermie), flächendeckende Wärmepläne
Verkehr - deutliche Effizienzsteigerung konventioneller Antriebe nötig - Verlagerung Güterverkehr auf Bahn - Durchbruch E-Mobiliät, (H2-)Brennstoffzellenfahrzeuge nötig - limitierte EE-Optionen für Flugverkehr und schweren Güterverkehr
wesentliche Schlussfolgerungen II
Strom - Effizienzsteigerung im Stromsektor: teilweise Umkehrung aktueller
Trends nötig (z. B. Pro-Kopf-Verbrauch in privaten Haushalten) - Flexibilisierung des Kraftwerkparks - Systemverantwortung erneuerbarer Stromproduktion - Stromnetze:
- Ausbau der europäische und nationale Übertragungsnetze (incl. HGÜ), nationale Verteilnetze
- „Smart Grids“ zum Last- und Erzeugungsmanagement - Stromspeicher, insbes. (chem.) Langfristspeicher für EE-
Überschüsse
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!