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Die „Energiewende“ kommt dezentral

–

ohne Paradigmenwechsel keine Energiezukunft !

VDE - Vortragsreihe Themen der Energiewende: Speicher der Zukunft Karlsruhe, 20.10.2015

Bild 2 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller

Nasa picture Nov 27, 2000 Nasa picture Nov 27, 2000

Trinkwasser … Nahrung …

Energie …

Über was wir heute sprechen . . .


Sonne – Erde – Energie (1)

© DEEnO 2015

Die Sonne hat eine Masse von 1,989 x 1027 t 1.989.000.000.000.000.000.000.000.000 Tonnen

In ihrem Kern findet bei 15,6 Millionen Kelvin die Kernfusion statt Dabei werden pro Sekunde 564 Millionen Tonnen Wasserstoff in

560 Millionen Tonnen Helium umgewandelt Daraus resultiert ein Masseverlust der Sonne von 4 Millionen

Tonnen Übrigens: Der Masseverlust der Sonne beträgt nach 10 Milliarden

Jahren gerade einmal 0,1% ihrer Gesamt-Masse!

Die Strahlungsleistung der Sonne ist 3,86 x 1026 W – 386.000.000.000.000.000.000.000.000 Watt

Sonnenenergie ist sicher und preiswert !



© DEEnO 2015

Die die äußere Atmosphäre derErde wird jährlich von 1.500 x 1018 Wh Strahlungsenergie der Sonne getroffen Davon werden 30% direkt reflektiert und 11% durch die

Erwärmung der Landmassen absorbiert 59% der Strahlungsenergie, das sind 885 x 1018 Wh sind für die

Energieumwandlung nutzbar Vergleich: Die Welt-Stromerzeugung beträgt derzeit jährlich

23,8 x 1015 Wh

Die Sonne liefert jährlich das 37.000-fache der Welt-Stromerzeugung

Die Sonne liefert Energie im Überfluss !



© DEEnO 2015

Die Sonne liefert Energie im Überfluss !

Sonnenenergie ist sicher und preiswert !

- dauerhaft, kostenlos und verlässlich

- nur nachts nicht

„Andere“ Definition der Energiewende:

„Energiewende“ bedeutet, den erneuerbaren Energieüberfluss und Energiemangel so zu organisieren, dass der Bedarf dauerhaft sicher gedeckt werden kann.


die Klima- und Umweltschutz-Dimension die bundespolitische Dimension die energetische Dimension die rechtliche Dimension die technische Dimension die wirtschaftliche Dimension die emotionale Dimension die (kommunal-)politische Dimension die soziale Dimension

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… der Energiewende

Die 9 Dimensionen der Energiewende


Formel:

Energiewende = Erneuerbare Energien + Energieeffizienz

„Energiewende“ und „Energiekonzept“

Energiekonzept der Deutschen Bundesregierung, Berlin 2011

Ziel: Klimaschutz, Umweltschutz und Ressourcenschonung Reduktion des CO2-Ausstoßes um 80% bis 95% bis 2050;

das bedeutet: keine Verbrennung fossiler Rohstoffe mehr !! Deckung von 80% des Brutto-Energiebedarfs mit Erneuerbaren

Energien (Wind, Sonne, Biomasse, Geothermie, Gezeiten usw.); das bedeutet: nahezu 100% Erneuerbare Energien in der Energie-versorgung, da fossile Brennstoffe (Benzin, Diesel) im Bereich der Mobilität noch bis 2050 erwartet werden

Steigerung der Energieeffizienz; Ziel: Verdoppelung

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Windpark

Kleine Wasserkraftwerke

Biomasse

Wind

Kleinerzeuger BHKW

Solar

Brennstoffzelle Speicher

i i

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Koppelprozesse Industrie/Gewerbe

0,4 kV

110 kV 20 kV

( Quelle: Edison-Projekt, B

MW

i, 1998 )

Großkraftwerke

und hierarchische Energieversorgung

Paradigmenwechsel: „Viele kleine im Verbund machen ein Großes“

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Dezentral verteilte Energieversorgung

(Virtuelle Kraftwerke und Smart Grids)


20 000

0

40 000

60 000

80 000

Verfügbare konventionelle Kraftwerke

35 000

0

50 000

80 000

95 000 Inst

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(Kon

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Die Summe aus verfügbarer konventioneller und installierter regenerativer Leistung übersteigt die zeitgleich nutzbare Leistung deutlich. Der Einsatz von Speichern ist und wird unerlässlich Die höchste Einspeiseleistung tritt im Verteilnetz auf (über 80% der Kapazität)

Min

imum

Max

imum

Ggf. wird der Zubau schneller erfolgen

90 GW entsprechen 35 % Energie

Quelle: B

MU

, Strategie für den A

usbau Erneuerbarer E

nergien Die Energiewende bewirkt ein Überangebot an (temporär) verfügbarer Kraftwerksleistung

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Grundlast verliert an Wert mit zunehmendem EE-Anteil Flexible, steuerbare Anlagen schließen die Lücken bei Nichtverfügbar-keit von Wind und Sonne (Erdgas-KWK.K, Power-to-Heat) Bei hohen EE-Anteilen sind Speicher zwingend erforderlich (Power-to-Gas)

Rote Fläche : Strombedarf 2010 in D Grüne Fläche: Erzeugung Wind & Solar

2010

2020

2050

Paradigmenwechsel in der Stromversorgung - Flexibilität anstatt Grundlast -

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Bild

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Verhältnis von installierter EE-Einspeiseleistung zu maximaler Last: 2000 - Faktor 0,2 2020 - Faktor 1,3 ? 2010 - Faktor 0,7 2050 - Faktor 3,5 ?


HzHzf 2,050!

Versorgungssicherheit durch Frequenz-Stabilisierung

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DLR

/IWE

S/IFN

E 2012

Effizienz: 48% weniger

Energieverbrauch gegenüber 2010

Erneuerbare: rund die Hälfte des

Energieverbrauchs in 2050

Energie-Effizienz-Ziel Kompass Leitstudie 2011 (Primärenergie)

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49 %

20 %

31 %

Die fossilen Energieträger werden auch in den bevorstehenden Jahren die Hauptlast der Energieversorgung tragen.

Transport

Strom

Wärme

Primärenergieverbrauch heute

Energiewende – die Ausgangssituation im Primärenergieverbrauch

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Strom Gas

Kohle (?)

Kernenergie <2022

Erneuerbare Energien Sonne, Wind …

Erdgas

Synthetische Gase aus Erneuerbaren Energien (Power-to-Gas)

Nutzung von elektrischer Energie und Wärme

Wärme- & Kälte-Speicher

Verte

ilung

snet

z Tr

ansp

ortn

etz

Gasspeicher

Brennstoffzelle

Blockheizkraftwerk

Heizkraftwerk

E-Wärme-Speicher

(Power-to-Heat)

Kunden

Querverbund-Infrastruktur im zukünftigen Energie-versorgungssystem (Netze, Erzeuger und Speicher)

Mobilität

Gasfahrzeuge mit synthetischen Gasen

(z.B. Wasserstoff) LKW,

PKW Langstrecke

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Batterie-Speicher

Synthetische Gase aus Reststoffen Biogas, soweit verfügbar

Elektrolyseur Wasserstoff

(Methan)

Mobilität

Elektrofahrzeuge PKW


Das Kalt-Wärme-System für Wärme, Komfort und Klimatisierung

Quelle: energie+concepte

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Bidirektionales Kalt-Wärme-Netz

Strom-speicher

Zentrale Steuerung und

Optimierung

Umgebungswärme Erdwärme Sonnenstrom

Energie CO2 Geld

Energiezentrale mit PVT-Gene-ratoren, Hauseigentümer

Eisspeicher, Quartier-Infrastruktur

Stromspeicher, Quartier-Infrastruktur

Betriebsführung, DEEnO


Strategie: Dezentrale Energieversorgung und Effizienzoptimierung

Batterie

BHKW

FHKW

Stromnetz

Haushalte Industrie

Wärmenetz

KWK Anlagen

KWK

Kommunikationsnetz

Alternative Energien

• Parallelbetrieb von Strom- und Gasverteilungsnetzen sowie von (Fern-) Wärme- und/oder Kältenetzen

• Parallelbetrieb von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, Speichern und Kundenanlagen

• Intelligente Vernetzung der Anlagen und Systeme durch Kommunikationstechnik ermöglicht die Querverbundoptimierung und sichert kostenoptimale Energiebereitstellung

Die im Querverbund optimierte Stadt als Infrastruktur-Eigentümer zur „Daseinsvorsorge“

© DEEnO 2014


Batterien

Haushalte

Industrie

KWK Anlagen (BHKW)

Erneuerbare Energien

Kommunale Infrastrukturen als Daseinsvorsorge und Grundlage der Stadtentwicklung

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Abwasser

Trinkwasser

Strom

Erdgas ( ? )

Wärme

Telekommunikation

Straßenbeleuchtung

Optimierung im Querverbund der Infrastrukturen

Energie-Effizienz und Senkung der Energiekosten

Wärme-, Kältespeicher


„ Smart Supply “

Intelligente Strom-

erzeugung

Intelligente Stromnetze

Intelligenter Verbrauch

Intelligente Speicherung

Intelligente Steuerung durch Echtzeit-vernetzung aller Systemkomponenten

Marktplatztechnologien Betriebstechnologien

Querschnittstechnologien: digitale Datenerfassung, -verarbeitung und vernetzung

Die 4 Säulen des zukünftigen Energiemarktes

und ihre

Flexibilisierung

im technisch-wirtschaftlichen

Betrieb und im

Energiemarkt

© DEEnO 2015


Solarenergie

Windenergie

Bürogebäude

Produktion

Wärme

Kälte Gas

BHKW

Brenn- stoffzelle

Wärme-, Kälte- /

Gasspeicher

Strom

Störfall-management

Energie-optimierung

Kommunikationsnetz

Stromnetz Wärmenetz

Kältenetz

KWK.K

Gas-netz

Arealnetze

Elektrolyseur

KWK.K : Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

vergleichbar : „Industrie 4.0“

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Energie- und Netzverbund


Brennstoffzelle

Blockheizkraftwerk

Elektrolyseur

Informations- und

Kommunikationstechnik

Strom

Wärme

Gas

Str

om

Wärm

e

Gas

Weitgehender Ausgleich zwischen Energieerzeugung und –bedarf durch lokale Optimierung der Standort-Energieversorgung (Automatisierung – Gesamtoptimierung)

Minimierung des Energieaustausches mit den umgebenden Systemen (Markt)

Bürogebäude

Produktion

Erneuerbare Energien

Sonne

Gasbezug

Wärm

e

Stromaustausch

IKT

Gas-, Wärme-, Kälte-,

Eis -Speicher

IKT

IKT

IKT

IKT

Markt Markt

Kält

e

Gas

Strom

IKT

© DEEnO 2015

Optimierung der lokalen Energieversorgung im Unternehmen

Stadtwerk oder Mittelständische

Industrie


Energiefluss-Optimierung im Verteilnetz durch Automatisierung der MS-Stationen

„Zellulare Verteilnetz-Struktur“ Versorgungszuverlässigkeit durch automatische

Spannungsstabilisierung innerhalb der MS-Netzinsel

Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit, auch der verteilten Erzeugungsanlagen, erhöhen

Ausregelung von Prognose und Ist Sichere Betriebsführung auch durch Abschaltung

von Erzeugungsanlagen Lastfluss-Optimierung in der MS-Netzinsel mit

dezentralen Erzeugungsanlagen, schaltbaren Lasten und Speichern

Last-Symmetrierung im Drehstromsystem Verbesserung der Energiequalität Gegenüber einem primärtechnischen Ausbau in

der Regel die günstigere Variante © DEEnO 2015

Zellularer Verbund autonom geregelter MS-Stationen


Niederspannungs-Netzstützpunkt mit Hochenergiebatterien

Quelle: Technische W

erke Stuttgart A

G, B

MW

i 1991

Funktionen Festspannungsregelung (Sollwert) Spannungsstabilisierung (Blindleistung) Last-Symmetrierung im Drehstromsystem Verbesserung der Energiequalität Lastfluss-Optimierung dezentraler Anlagen

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- Anschluss an die Netze - Ausbau und Flexibilisierung der Netze - Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung / mit Speicher - Optimierung und Flexibilisierung der thermischen Kraftwerke

- Lastverschiebungen (DSM), Industrie/Privat - Verstärkte konventionelle Stromspeicherung - Neue effiziente Anwendungen von Strom (Wärmepumpe, Elektrofahrzeuge?) - Power-to-Heat ?

- Reversible Speicherung von Strom - Neue regenerative Stromquellen - Power-to-Gas, alternative Nutzung von CO2 - Sicherstellung der dynamischen Stabilität des Systems

Bis 2020 Bis 2030 Bis 2050

Energietransport und

Flexibilisierung

Ausbau Erneuerbarer Energien

35 %

80 %

45 %

Energie- Direkt - Umwandlung

Neue reversible Speicher

Energie muss sicher in guter Qualität mit der richtigen Quantität zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort und preiswert sein

© DEEnO 2015

Technologisch wird die Energiewende im Wesentlichen in drei Etappen umgesetzt


Fazit

© DEEnO 2015

Die Energiewende braucht,

Energieeffizienz,

Erneuerbare Energien,

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung,

Netze, Kommunikation,

Flexibilitäten, Märkte,

„Dynamik von unten“

und ein Gesamtkonzept!

Kontakt

DEEnO Energie AG Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller Georg-Peter-Süß-Straße 3 67346 Speyer Telefon: + 49 6232 68997 0 Telefax: + 49 6232 68997 29 eMail: [email protected] web: www.deeno-energie.de

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