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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 . . .
Bild 6 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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 !
Bild 7 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Sonne – Erde – Energie (2)
© 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 !
Bild 8 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Sonne – Erde – Energie (3)
© 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.
Bild 9 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
© DEEnO 2015
… der Energiewende
Die 9 Dimensionen der Energiewende
Bild 10 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
© DEEnO 2015
Bild 11 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Windpark
Kleine Wasserkraftwerke
Biomasse
Wind
Kleinerzeuger BHKW
Solar
Brennstoffzelle Speicher
i i
i
i i
i i i i
i i
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“
© DEEnO 2015
Dezentral verteilte Energieversorgung
(Virtuelle Kraftwerke und Smart Grids)
Bild 12 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
20 000
0
40 000
60 000
80 000
Verfügbare konventionelle Kraftwerke
35 000
0
50 000
80 000
95 000 Inst
allie
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(Kon
sum
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t)
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
© DEEnO 2015
Bild 13 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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 -
© DEEnO 2015
Bild
quel
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Dr.
Stad
ler,
Wes
tfale
n W
ind
Gm
bH
Verhältnis von installierter EE-Einspeiseleistung zu maximaler Last: 2000 - Faktor 0,2 2020 - Faktor 1,3 ? 2010 - Faktor 0,7 2050 - Faktor 3,5 ?
Bild 14 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
HzHzf 2,050!
Versorgungssicherheit durch Frequenz-Stabilisierung
© DEEnO 2015
Bild 15 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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)
© DEEnO 2015
Bild 16 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
© DEEnO 2015
Bild 17 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
© DEEnO 2015
Batterie-Speicher
Synthetische Gase aus Reststoffen Biogas, soweit verfügbar
Elektrolyseur Wasserstoff
(Methan)
Mobilität
Elektrofahrzeuge PKW
Bild 18 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Das Kalt-Wärme-System für Wärme, Komfort und Klimatisierung
Quelle: energie+concepte
© DEEnO 2015
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
Bild 19 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
Bild 20 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Batterien
Haushalte
Industrie
KWK Anlagen (BHKW)
Erneuerbare Energien
Kommunale Infrastrukturen als Daseinsvorsorge und Grundlage der Stadtentwicklung
© DEEnO 2015
Abwasser
Trinkwasser
Strom
Erdgas ( ? )
Wärme
Telekommunikation
Straßenbeleuchtung
Optimierung im Querverbund der Infrastrukturen
Energie-Effizienz und Senkung der Energiekosten
Wärme-, Kältespeicher
Bild 21 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
„ 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
Bild 22 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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“
© DEEnO 2015
Energie- und Netzverbund
Bild 23 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
Bild 27 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
Bild 28 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
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
© DEEnO 2015
Bild 29 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
- 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
Bild 30 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Fazit
© DEEnO 2015
Die Energiewende braucht,
Energieeffizienz,
Erneuerbare Energien,
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung,
Netze, Kommunikation,
Flexibilitäten, Märkte,
„Dynamik von unten“
und ein Gesamtkonzept!
Bild 31 Dr.-Ing. Gerhard Weissmüller
Fazit
© DEEnO 2015
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