Zukunft der bayerischen Energielandschaft - E-Bridge · 2020. 2. 10. · Gas (Reserve) Kohle...

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1 20 ISSN: 1611-2997 Auszug aus Ausgabe 1 Februar 2020 Erzeugung & Infrastruktur Zukunft der bayerischen Energielandschaft Von Dr. Egon Westphal, Alexander Jäger, Dr. Andreas Kießling und Dr. Frank Wirtz, Bayernwerk, sowie Dr. Henning Schuster, Consultant

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    SN: 1

    611-

    2997

    Auszug aus Ausgabe 1Februar 2020

    Erzeugung & Infrastruktur

    Zukunft der bayerischen EnergielandschaftVon Dr. Egon Westphal, Alexander Jäger, Dr. Andreas Kießling und Dr. Frank Wirtz, Bayernwerk, sowie Dr. Henning Schuster, Consultant

  • Laut einer Analyse von Bayernwerk und E-Bridge Consulting ist das Bayernwerk-Versorgungsgebiet häu-fig wie eine Blume strukturiert: Ein Lastzentrum in der Mitte („Blütenkelch“) ist von einer ländlichen Struktur mit Erzeugungsüberschuss („Blütenblätter“) umgeben. Was liegt hier näher als zu fragen: Wie weit können die Blütenblät-ter den Blütenkelch versorgen („Flower. Power“)? Eine räumliche und zeitliche Synchronisierung von Einspeisungen und Lasten in Bayern ist von entscheidender Bedeutung, um die regionale Nutzung erneuerbarer Energien zu erhöhen, eine bessere Ausnutzung der Netzinfrastruktur zu fördern und einen Beitrag zur Versor-gungssicherheit zu leisten.

    Drei Strukturbereiche der Strom-versorgung BayernsDie beschriebene Flower-Power-Struktur in der Stromversorgung Bayerns kann man auf mehreren Ebenen nachweisen. Ana-lytisch lässt sie sich in drei verschiedene Strukturbereiche unterteilen:

    1. Ländlicher Raum: alle Stromerzeuger, -verbraucher und -speicher auf Mittel- und Niederspannungsebene in Städten und Gemeinden mit weniger als 100.000 Einwohnern. Dominantes Strukturmerk-mal hier sind die Erzeugungsüberschüs-se auf dem Land und die (kleineren) Lastsenken in verdichteten Gebieten.

    2. Großstädte: alle Stromerzeuger, -ver-braucher und -speicher in der Mittel- und Niederspannungsebene in Städten mit mehr als 100.000 Einwohnern. Kraftwerke und Industrieunternehmen in Großstädten, die in der Hoch- und Höchstspannungsebene angeschlossen sind, wurden in der Studie der Struktur-klasse „Großkraftwerke und Industrie“ zugeordnet. Wesentliches Kennzeichen der Großstädte ist der entsprechend hohe Strombedarf.

    3. Großkraftwerke und Industrie: in der Hoch- und Höchstspannungsebene an-geschlossene Großkraftwerke und Groß-speicher sowie die Stromverbraucher des verarbeitenden Gewerbes. Einer hohen, jedoch perspektivisch abneh-menden Stromproduktion steht ein sehr hoher Strombedarf gegenüber.

    Der ländliche Raum wird immer mehr zum „grünen Kraftwerk“ Bayerns Die Energiewende wird in den kommen-den Jahren die Art der Stromerzeugung, des Stromverbrauchs und der Stromspei-cherung in Bayern signifikant verändern. Sind aktuell noch mehr als 11.000 MW an konventioneller Kraftwerksleistung am Netz, so wird die installierte Leistung laut Netzentwicklungsplan um nahezu 40 Pro-zent auf unter 7.000 MW bis 2030 sinken. Dominiert wird die Stromproduktion in

    Bayern zunehmend von der Erzeugung aus erneuerbaren Quellen (Abb. 1). Waren bisher die großen Kraftwerke meistens im Übertragungsnetz (Höchst-spannungsnetz) angeschlossen und wurde bisher der Strom im Verteilnetz an die Kunden verteilt, so sind künftig die Strom-erzeugungsquellen im Verteilnetz ange-schlossen und der Strom wird bis zum Übertragungsnetz zurückgespeist. Schon heute sind mehr als 18.000 MW Leistung an EE-Anlagen ans bayerische Verteilnetz angeschlossen. Gemeinsame Analysen von E-Bridge und Bayernwerk prognosti-zieren einen Anstieg auf ca. 31.000 MW (überwiegend PV) im Jahr 2030. Wenn „Game changer“, wie außerhalb der EEG-Förderung errichtete PV-Großanlagen, zusätzliche Impulse setzen, kann sich die installierte erneuerbare Leistung im selben Zeitraum sogar bis auf 40.000 MW erhöhen. Damit wird der Strom künf-tig in vielen Stunden des Jahres in den Spannungsebenen erzeugt, in denen er auch verbraucht wird. Trotzdem passen Erzeugung und Verbrauch räumlich und zeitlich nicht perfekt zusammen. Daher ist eine entsprechende Synchronisation erforderlich.

    Zunehmende Flexibilisierung und DigitalisierungDer zunehmenden Volatilität der dezen-tralen erneuerbaren Stromerzeugung

    2 Auszug aus e|m|w Heft 01|2020

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    Zukunft der bayerischen Energielandschaft In Bayern bündeln sich Hauptfragen einer dezentralen Energiewende: 2010 war jede zehn-te PV-Anlage weltweit im Netz des Bayernwerks installiert – heute speisen über 280.000 Solaranlagen dorthin ein. Gleichzeitig gehen in Bayern Großkraftwerke, die über viele Jahre die Stromerzeugung maßgeblich geprägt haben, schneller vom Netz als in vielen anderen Bundesländern. Die Energiewende findet in Bayern in der Niederspannung statt. Auch die nächste Phase rückt diese Netzebene in den Mittelpunkt: Eine hohe Anzahl an Elektroau-tos, Wärmepumpen und Speicher werden in den kommenden Jahren erwartet. Das System stellt sich „vom Kopf auf die Füße“ und bietet neue Möglichkeiten, den Anforderungen des energieintensiven Industriestandorts Bayern mit hohen (Strom-)Verbräuchen und einem großen Bedarf an sicherer Versorgung zu begegnen.

    Von Dr. Egon Westphal, Alexander Jäger, Dr. Andreas Kießling und Dr. Frank Wirtz, Bayernwerk, sowie Dr. Henning Schuster, Consultant

  • entsprechen einer zunehmende Flexibi-litätsoptionen aufseiten des Stromver-brauchs und der Speicherung. Durch den Anstieg der Elektromobilität in Bayern (ca. 2 Mio. E-PKW in 2030) mit flexiblem Ladeverhalten sowie die stärkere Elektri-fizierung der Wärmeversorgung (660.000 Wärmepumpen in 2030) steigt zwar zum einen der Stromverbrauch. Zum anderen nimmt aber auch das Potenzial für eine flexible Anpassung des Verbrauchs zu. Die Flexibilität wird zudem durch eine weitere Zunahme an Kleinspeichern (380.000 in 2030) sowie eine zunehmende Vernet-

    zung und Digitalisierung, auch durch den Smart-Meter-Rollout, ermöglicht. Sowohl Kundenanlagen als auch Anlagen der Netzbetreiber werden verstärkt mit Senso-rik und Aktorik ausgestattet, wodurch sich die Steuerbarkeit verbessert.

    Bayern wird zum StromimporteurIm Jahre 2017 war die bayerische Energiebilanz mit 4,5 Mrd. kWh positiv. Vor allem aufgrund der Erzeugung aus Kernkraftwerken wurde in Bayern mehr Strom erzeugt als verbraucht. In Bezug auf die gesamte Energiebilanz kann der

    Zubau an EE-Anlagen den Rückbau von Großkraftwerken bis 2030 allerdings nicht ganz ersetzen – zumal die Studie auch von einer Steigerung des Strombedarfs in Bayern um 11,6 Mrd. kWh zwischen 2017 und 2030 ausgeht. In Summe wird 2030 eine negativen Energiebilanz in Höhe von 6,2 Mrd. kWh erwartet (Abb. 2).

    Innerhalb der drei analysierten Struk-turbereiche gibt es zudem erhebliche Verschiebungen: Während im ländlichen Raum im Jahr 2017 noch in Summe 3 Mrd. kWh elektrische Energie mehr

    01 Entwicklung der Erzeugungsleistungen in Bayern 2017-2030 (in MW)

    11.0146.888

    18.26831.099

    8.000

    2017 2030Konventionell Erneuerbar Eneuerbar ("game changer")

    ∑ 29.282 MW

    ∑ 37.987-45.887 MW

    3.986

    2.745

    1.483847

    7861.187

    11.780

    2.499

    2.3891.600Kernkraft

    Gas (im Markt)Gas (Reserve)KohleSonstige (im Markt)Sonstige (Reserve)PVWindkraftLaufwasserBiomasse

    ∑ 29.282 MW

    4.141 600332

    1.815

    22.800

    400 2.3891.910

    ∑ 37.987 MW

    02 Entwicklung der Energiebilanz in Bayern 2017-2030

    -3 TWh

    8,8 TWh

    15,7 TWh

    -7,4 TWh-8,3 TWh-7,3 TWh

    4,5 TWh

    -6,2 TWh

    Ländlicher RaumGroßkraftwerke und IndustrieGroßstädteBayern gesamt

    Ener

    gieb

    ilanz

    2017 2030

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    Erzeugung & Infrastruktur

  • verbraucht als erzeugt wurde, wird die Energiebilanz 2030 mit 8,8 Mrd. kWh Überschuss an elektrischer Energie po-sitiv. Entgegengesetzt verhält es sich bei Großkraftwerken und Industrie. Während konventionelle Großkraftwerke im Jahr 2017 noch mehr Strom erzeugen als die Industrie verbraucht (+15,7 Mrd. kWh), kippt dieses Verhältnis bis 2030 (-7,4 Mrd. kWh). Die Energiebilanz der Großstädte in Bayern bleibt unseren Berechnungen zufolge auf einem vergleichbaren Niveau (-8,3 Mrd. kWh), da sich ein Ausgleich zwischen vermehrter Stromerzeugung durch PV-Anlagen und zunehmendem Stromverbrauch (beispielsweise durch E-Mobility) abzeichnet.

    Nur bei einem Ausbau auf 40.000 MW EE-Anlagen im Jahr 2030 („Game-changer-Szenario“) würde die Energiebilanz auf dem heutigen Niveau bleiben (+4,5 Mrd. kWh). Der Überschuss aus dem ländli-chen Raum würde dabei weiter erheblich ansteigen (+ 19,2 Mrd. kWh).

    Trotz Importbedarf mehr Gebiete mit Stromüberschuss Analytisch lässt sich die beschriebene Flower-Power-Struktur mit Erzeugungsüber-schuss auf dem Land und einem Defizit in den verdichteten Räumen auf mehreren Ebenen nachweisen: innerhalb von Gemein-

    den, zwischen Gemeinden, in Landkreisen und zwischen Landkreisen und kreisfreien Städten. Auf all diesen Ebenen nehmen die Gebiete mit Stromerzeugungsüberschuss trotz des bayernweiten Importbedarfs bis 2030 deutlich zu. Damit wird Bayern zur energetischen Blumenwiese.

    Erzeugen heute 625 von 2.099 Gemeinden und 22 von 75 Landkreisen in Bayern im Jahresverlauf mehr Strom als sie verbrau-chen, werden dies 2030 915 Gemeinden und 43 Landkreise sein (Abb. 3). Ein wei-teres Potenzial besteht durch die Verknüp-fung von Landkreisen mit Verbrauchsüber-schuss und kreisfreien Städten. Mit dem Überschuss aus dem ländlichen Raum können sogar alle Großstädte in Bayern bilanziell mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Potenzial zur energetischen regionalen Verknüpfung in Bayern ist heu-te bereits hoch und wächst in kommenden Jahren rasant weiter an. Anforderungen an das Netz steigenEin Großteil der regional erzeugten Energie wird aber nicht tatsächlich regional ver-braucht werden. Spitzenlasten und Rück-speisungsspitzen in den bayerischen Verteil-netzen steigen signifikant an und damit die Anforderungen an das Netz. Eine fehlende zeitliche Synchronisierung von regionaler Einspeisung und Verbrauch führt dazu,

    dass bilanziell eigenversorgte Regionen nur in ca. der Hälfte der Zeit tatsächlich eigen-versorgt sind. Stattdessen wird ein hoher Anteil der erneuerbaren Stromversorgung aus Bayern hinaus exportiert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder importiert. In der Spitze beträgt der Export (Markt ergebnis) 2030 ca. 15.000 MW Leistung (maßgeb-lich aus EE-Anlagen). Im Vergleich zu 2017 (8.900 MW) ist das ein Anstieg von 75 Prozent. Auch die maximale residuale Bezugslast in Bayern steigt signifikant von 6.900 MW auf über 11.200 MW (+62 %) an. Grund für den Anstieg ist der Wegfall von konventionellen Kraftwerken, deren Einspeisung zu Zeiten ohne erneuerbare Einspeisung im Jahr 2017 noch die maxima-le residuale Bezugslast in Bayern reduziert hat. Dafür ist ein starker Anschluss an das Übertragungsnetz notwendig. Lokal führt diese Entwicklung zu sehr hohen Anforderungen an die Netzinfra-struktur in Bayern. Die netzauslegungs-relevanten Leistungsspitzen (sowohl Einspeisungen als auch Lasten) steigen flächendeckend signifikant an – im Durch-schnitt lokal um über 80 Prozent (siehe Abb. 4).

    Synchronisierung als Lösungsansatz Das hohe bilanzielle Potenzial zur regi-onalen Eigenversorgung in Bayern kann

    03 Elektrische Energiebilanz der Gemeinden in Bayern 2017-2030

    2017∑ 4.464 GWh (Rückspeisung)

    625 von 2.099 Gemeinden mit positiver elektrischer Energiebilanz

    Jahr

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    2030∑ - 6.216 GWh (Bezug)

    915 von 2.099 Gemeinden mit positiver elektrischer Energiebilanz

    Rückspeisend < 1.000 MWh 1.000 – 10.000 MWh 10.000 – 50.000 MWh > 50.000 MWhBeziehend < 1.000 MWh 1.000 – 10.000 MWh 10.000 – 50.000 MWh > 50.000 MWh

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  • durch eine räumliche und zeitliche Syn-chronisierung von lokalen Einspeisungen und Lasten tatsächlich genutzt werden – mit positiven Effekten für das Netz und die Versorgungssicherheit in Bayern. Konkret ergeben sich vier Handlungsop-tionen zur Synchronisierung regionaler Einspeisungen und Lasten in Bayern:

    Netztechnische Verknüpfung: Weiter-entwicklung der Zielnetzstruktur mit Verknüpfung von Einspeise- und Last-zentren auf geeigneter Netzebene

    Flexibilität nutzen: aktive Koordinie-rung der Flexibilität vorhandener bzw. sowieso zugebauter Speicher und flexibler Lasten

    Zusätzliche Speicher: Bau und Betrieb zusätzlicher Speicher

    Gesicherte Erzeugung: Bau und Betrieb zusätzlicher steuerbarer Erzeugung mit hohem Anteil an gesicherter Leistung

    Insbesondere vorhandene Flexibilität im Energiesystem, bspw. von E-PKW mit flexiblem Ladeverhalten, Wärmepumpen oder Kleinspeichern, kann genutzt wer-den, um Leistungsspitzen zu glätten und die lokale Energienutzung zu erhöhen – hier besteht ein signifikantes Potenzial. Es sind jedoch Nebenbedingungen zu berücksichtigen, da der eigentliche Zweck (Wärme, Mobilität etc.) nicht einge-schränkt werden soll.

    Darüber hinaus sind Speicher ein weiteres effektives Mittel für das Flower-Power-Energiekonzept und eine lokale Synchro-nisierung. Die lokale Energienutzung kann so stark gesteigert und Rückspeisespitzen reduziert werden. Perspektivisch sind neben Kurzzeitspeichern auch Langzeit-speicher notwendig, um einen saisonalen Ausgleich zu ermöglich. Hier können auch Wasserstofftechnologien eine Lösungsop-tion bieten, die jedoch in der Studie nicht ausführlich betrachtet wurden. Eine starke und leistungsfähige Netzstruktur ist die unabdingbare Basis, um den regionalen Ausgleich zu ermöglichen. Die Berücksich-tigung der Flexibilität in der Netzplanung kann dabei eine zielgerichtete Entwicklung und optimale Ausnutzung der bestehenden Netzinfrastruktur ermöglichen.

    Schlussfolgerungen und nächste SchritteDie Energiewende ist heute schon in Bay-ern sichtbar und deren weitere Entwick-lung wird das Energiesystem zunehmend „auf den Kopf stellen“. Das Bayernwerk hat gemeinsam mit E-Bridge Consulting einen Blick in die Zukunft dieser Energie-landschaft gewagt und dabei festgestellt, dass der ländliche Raum zum grünen Kraftwerk in Bayern wird. Die Anzahl der Gemeinden mit einer positiven Energiebi-lanz wird weiter stark wachsen und durch eine intelligente Vernetzung von Regionen mit Energieüberschuss und Energiedefizit (Flower Power) könnte ein hoher Grad der Eigenversorgung in Bayern ermöglicht

    werden. Allerdings ist dazu eine räumliche und zeitliche Synchronisierung notwendig, um die regionale Nutzung der Energie zu erhöhen, die Netzinfrastruktur besser auszunutzen und einen Beitrag zur Ver-sorgungssicherheit zu leisten. Andernfalls wird ein Großteil der lokal erzeugten Ener-gie tatsächlich nicht „vor Ort“ verbraucht – Spitzenlasten und Rückspeisungsspitzen steigen deswegen signifikant an und damit die Anforderungen an das Netz.

    Dem Verteilnetzbetreiber kommt eine Schlüsselrolle im neuen Energiesystem zu. Bereits heute investiert das Bayernwerk in das intelligente Stromnetz von morgen. Denn nur ein kluger Mix aus Netzausbau und Digitalisierung sowie die Nutzung von Flexibilität und Speichern macht die Energiewende möglich und die vielen Potenziale nutzbar.

    DR. FRANK WIRTZ

    Jahrgang 1976

    seit 2014 Leiter Grundsatzaufgaben im Assetmanagement, Bayernwerk AG

    [email protected]

    DR. HENNING SCHUSTER

    Jahrgang 1983

    seit 2014 Principal Consultant, E-Bridge

    [email protected]

    DR. ANDREAS KIESSLING

    Jahrgang 1971

    Leiter Verbändearbeit und Qualitäts-sicherung, Energiepolitik, Bayernwerk AG

    [email protected]

    ALEXANDER JÄGER

    Jahrgang 1985

    2019 Referent für Grundsatzfragen und strategische Sonderprojekte, Bayernwerk AG

    [email protected]

    DR. EGON WESTPHAL

    Jahrgang 1965

    seit 2011 Mitglied des Vorstandes, Bayernwerk AG

    [email protected]

    04 Relativer Anstieg des Betrags der maximalen Leistung je Gemeinde 2017-2030

    Rela

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    [%]

    Erhöhung der maximalen Leistung < 25 % 25 – 50 % > 50 %

    Auszug aus e|m|w Heft 01|2020 5

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