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6 | 2013

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Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien SPECIAL Strombedarf TWh 375 500 Erdgas TWh 0 150 500 0 150 500 Wind Offshore GW 50 43 33 50 50 37 Wind Onshore GW 150 120 78 150 150 90 Photovoltaik GW 183 132 69 222 213 101 Power-to-Gas GW 73 23 0 106 50 0 Heizwärmebedarf % 2010 73% 79% 87% 44% 73% 84 % CO 2 -Emissionen Mio t 36 66 137 40 66 137 Reduktion % 1990 95% 90% 79% 94% 90% 79 % Tabelle 1 Installierte elektrische Leistung von Wandlern fluktuierender erneuerbarer Energien, von Elektrolyseuren für die Erzeugung synthetischen Gases, optimierter Heizwärmebedarf bezogen auf den Wert in 2010 sowie resultierende CO 2 -Emissionen und Absenkung der CO 2 -Emissionen bezogen auf das Bezugsjahr 1990. in unterschiedlichen Größen auf Basis von Wasser als Speichermedium. Große zentrale Wärmespeicher, wie sie in Dänemark seit vielen Jahren in der Fernwärmeversorgung erfolgreich imEinsatz sind, können ein wichtiges Element der Flexibilisierung der Stromnutzung darstellen. Außerdem wurde als Option für einen Langzeitspeicher die Umwandlung von Strom in synthetisches Methan in Power-to-Gas-Anlagen (Sabatier-Prozess) berücksichtigt. Dieses Gas weist eine neutrale Kohlendioxid-Bilanz auf, da bei seiner Herstellung Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan synthetisiert werden. Es kann zusammen mit entsprechend aufbereitetem Biogas in vorhandenen Kavernen gespeichert und über die existierende Erdgasinfrastruktur genutzt werden. Eine Alternative ist eine Wasserstoffwirtschaft, die einige Vorteile wie höhere Umwandlungseffizienz undniedrigereKosten der Wandler aufweist, allerdings eine umfängliche Anpassung derheute fürErdgas verwendeten Infrastruktur erfordert 2 ). Für die Rückverstromung wurden effiziente Gas-und-Dampf (GuD)-Kombikraftwerke und Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Form zentraler KWK-Anlagen und dezentraler Blockheizkraftwerke (BHKW) einbezogen. Für die Biomasse wurde nur ein konstanter, vergleichsweise geringer Anteil von 50TWh/a für den Strom- und Wärmesektor angesetzt. Damit sind immer noch erhebliche Mengen Biomasse verfügbar, die zum Beispiel für den Verkehrssektor oder Hochtemperatur-Prozesse in der Industrie sinnvoller eingesetzt werden können als für die Niedertemperaturheizung in Gebäuden 3 ). Für die Optimierung wird in vielen Millionen Simulationsläufen jeweils ein vollständiges Jahr stundenaufgelöst durchgerechnet und das Minimum der jährlichen Gesamtkosten zum Erhalt und Betrieb des Energiesystems als Zielfunktion verwendet. Diese jährlichen Gesamtkosten ergeben sich in dem Modell wie folgt: Für die erneuerbaren Anteile fallen keine Brennstoffkosten an, bei den fossilen Energien wurde eine Erhöhung der Weltmarktpreise um jährlich 2%angesetzt. Für alle Systemkomponenten einschließlich der Netze wurden die Kosten für Erhalt bzw. Erneuerung nach abgelaufener Lebenszeit sowie Betrieb und Wartung auf jährliche Kosten umgerechnet. Für die Finanzierungskosten wurde ein Zinssatz von 4% für alle dezentralen und von 7 % für zentrale Technologien angesetzt. Dabei wurden für neue Technologien die Kosten nach Erreichen der Marktreife und hoher Marktdurchdringung zugrunde gelegt. Eine Besonderheit des Modells ist, dass zusätzlich zu Energiebereitstellung und -wandlung auch die energetische Sanierung des Gebäudebestands mit berücksichtigt wird. Für die Kosten der energetischenSanierung wurden aufBasis verschiedener Studien eine Funktion ermittelt, die die mittleren Mehrkosten für energetische Sanierung im Vergleich zu Sanierung ohne energetische Maßnahmen darstellt. Energiesystem im Jahr 2050 Bei diesen Rechnungen wurden die konventionellen Kraftwerke berücksichtigt, die aus heutiger Sicht in2050 noch in Betrieb sein werden. Dabei wurden folgende Szenarien untersucht: > Für den Strombedarf wurden zwei Werte verwendet, ein unveränderter Strombedarf inHöhe von 500 TWh und ein entsprechend den Zielen der Bundesregierung bis 2050 um 25 % abgesenkter Strombedarf von 375 TWh. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beide Werte ohne den Strom gelten, der für Niedertemperaturwärme verwendet wird, also insbesondere für Wärmepumpen oder direkte Verheizung von Überschussstrom. > Für Erdgas wurden 0TWh, 150 TWh und 500 TWh angenommen, die in 2050 noch verwendet werden. Wird keinerlei Erdgas verwendet, kommt neben Biomasse nur in Power-to-Gas-Anlagen erzeugtes Gas für die komplementäre Stromerzeugung inFrage. > Ergebnisse von Optimierungsrechnungen für diese Szenarien zeigt Tabelle 1. Bei niedrigerem Strombedarf sind entsprechend wenigerWandler fluktuierender erneuerbarer Energien notwendig. Die notwendige installierte Leistung von Power-to-Gas-Anlagen sinkt deutlich ab, wenn noch Erdgas verwendet wird; bei der Verwendung von 500 TWh Erdgas wird die Herstellung synthetischen Gases aus erneuerbarem Strom nicht benötigt. Der Optimalwert der Absenkung des Heizwärmebedarfs liegt zwischen einer Absenkung auf nur 87% des heutigen Wertes (375 TWh Strombedarf,500 TWh Erdgas) und 44 %des heutigen Wertes (500 TWh Strombedarf, 0TWh Erdgas). Es resultiert außerdem, dass ohne die Verwendung von Erdgas eine Absenkung der CO 2 -Emissionen um 95 %erfolgt, während bei Verwendung von noch 500 TWh der Mindestwert der Reduktion von 80%knapp nicht erreicht wird. Bild 2zeigt installierte Leistungen und korrespondierende Energieflüsse aller Wandler für ein Szenario mit einem Strombedarf von 500 TWh, einer Nutzung von Erdgas in Höhe von 150 TWh und einem Umfang der energetischen Gebäudesanierung mit resultierendem Heizwärmebedarf von50%des heutigen Wertes. Dieses Zielsystem wurde aus folgenden Gründen für die weitere Betrachtung ausgewählt: > Effizienzgewinne im Bereich des Strombedarfs werden vermutlich durch Rebound-Effekte und steigenden Bedarf im Bereich der Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik, insbesondere 2 )Die Kosten für eine Änderung bzw. Ergänzung der Erdgas-Infrastruktur für die Nutzung mit reinem Wasserstoff sind sehr schwer abschätzbar. Deshalb wurde inden Rechnungen sowohl hinsichtlich der Umwandlungseffizienzwerte als auch der Kosten die Methan-Kavernen-Erdgasnetz-Kette verwendet. 3 )In2010 betrug die Gesamtenergiemenge aus Biomasse, einschließlich Deponiegase und energetischer Müllverwertung, mehr als 300 TWh. 28 BWK Bd. 65 (2013) Nr. 6

Erneuerbare Energien aber durch Zunahme von Elektromobilität – sei es auf Basis Batterietechnik oder auf Basis Wasserstoff – kompensiert werden. > Eine höhere Aktivität im Bereich der energetischen Sanierung scheint –selbst wenn sie nicht kosten-optimal ist –aus Akzeptanzgründen wahrscheinlicher als ein entsprechend höherer Ausbau von Wandlern erneuerbarer Energien. > Da die Absenkung der CO 2 -Emissionen im Strom- Wärme-Sektor vergleichsweise leichter fällt als im Bereich des Verkehrs und der Industrieprozesse ist vermutlich eine höhere Absenkung hier sinnvoll. Die installierten Leistungen der Wandler fluktuierender erneuerbarer Energien in Bild 2sind 183 GWPhotovoltaik, 142 GWWind onshore, 38 GW Wind offshore und 140 GW Solarthermie-Anlagen –davon etwa zwei Drittel zentrale Anlagen, die in Wärmenetze einspeisen und ein Drittel dezentrale Anlagen. Große Wärmespeicher sind wichtig für die Flexibilisierung der Stromerzeugung, ebenso dezentrale Wärmespeicher in Einzelgebäuden. In der Jahressumme werden rund 18 TWh Strom mit Widerstandsheizung zur Speicherladung verwendet, nämlich dann, wenn die Temperatur des Speichers für Beladung mit Wärmepumpen zu hoch ist. Monovalente Nur-Strom-Heizungen sind dagegen nicht systemdienlich, da diese auch dann Strom benötigen, wenn keine direkte Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien gegeben ist. Sowohl große KWK-Anlagen in großstädtischen Fernwärmenetzen als auch kleinere Anlagen für die Versorgung von Kleinstädten oder Quartieren übernehmen die komplementäre Strombereitstellung; Klein-BHKW in Einzelgebäuden spielen dagegen keine Rolle. Interessant ist, dass auch große Wärmepumpen, die in zentrale Wärmenetze einspeisen, eine zusätzliche Flexibilisierung der Stromnutzung eröffnen und dabei Wärme-geführten Betrieb von KWK-Anlagen in Zeiten vermeiden, zudenen ausreichend erneuerbarer Strom zur Verfügung steht. Einzelgebäude werden vorrangig von elektrischen und zu einem kleineren Teil von Gas-Wärmepumpen versorgt. Für Gas aus erneuerbarem Strom sind rund 70 TWh Speicher nötig, eine Größe die problemlos mit heute für Erdgas genutzten Kavernen zur Verfügung steht. Bild 3 stellt für fünf vorgegebene Werte der energetischen Sanierung die summarische installierte Leistung der Wandler fluktuierender erneuerbarer Energien (Wind, Photovoltaik) sowie die jährlichen Gesamtkosten dar. Dabei wurden die Kosten auf den Wert des günstigsten Systems (Heizwärmebedarf 60%des Wertes in2010) normiert. Es zeigt sich, dass bei starker Machen Sie Ihren Strom doch selbst Engines &Marine Systems Power Plants Turbomachinery PrimeServ Ökologisch und ökonomisch. Mit der MARC ® -Baureihe bietet MAN Diesel & Turbo wirtschaftliche Dampfturbinen für die CO2-neutrale Strom- und Wärmeerzeugung aus hochwertigen Naturbrennstoffen. Das MARC ® -Konzept (Modular Arrangement Concept) erlaubt dabei eine besonders platzsparende Aufstellung der Anlage. Mit weit mehr als 100 installierten Dampfturbinensätzen in Biomassekraftwerken (1,8 bis 26,6 MW) sind wir ein führender Hersteller in Europa. Kein Wunder, dass unsere Dampfturbinen auch in puncto Betriebssicherheit, Effizienz und Verfügbarkeit weit vorne liegen. Für verlässliche und umweltfreundliche Energie zu jeder Zeit. Erfahren Sie mehr auf www.mandieselturbo.com SPECIAL BWK Bd. 65 (2013) Nr. 6

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