Werkstattbericht zum Projekt "Transformationspfade Wärmesektor"
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Werkstattbericht zum Projekt „Transformationspfade Wärmesektor“
Teilbericht
Norman Gerhardt
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE
https://www.iee.fraunhofer.de/de/projekte/suche/laufende/transformationspfade-im-waermesektor.html
Parlamentarischer Abend des VKU “Wärmewende braucht Wärmenetze”, Berlin, 13. März 2019
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 1
Fragestellungen der Studie
Gebäudewärme stellt aufgrund der Größe und der Langlebigkeit der Infrastrukturen eine zentrale Herausforderung und
einen entscheidenden Hebel für Klimaschutzmaßnahmen dar.
Emissionen dezentr. Gebäudew. HH+GHD
Rolle Wärmenetze vs. [Mio. t CO2-Äqui.]
internationaler Verkehr 250
dezentrale Versorgung Historisch Ziel
2030 2050 LULUCF
Versorgung der Netze mit EE 200
Energiesektor
-55%
-80%
-95%
1990
2005
2010
2014
CO2-Emissionen [Mio. t]
Rückwirkungen Sanierung 1400 Verkehr (national)
1200 150
dezentrale Biomasse und Gebäude (dezentral)
PtX-Importe 1000
Energiewirtschaft
100
800
Wärmenetze im Industrie-Energie
600
Transformationspfad - Industrie-Prozesse
50
früher Ausbau bei langfristig 400
Landwirtschaft
sinkender Nachfrage 200
Abfall 0
0 -43% -66% -100%
WP im Sanierungspfad nicht-energiebedingte Emissionen
-200 1990 2014 2030 2050
einzelner Gebäude
Rückkopplung mit Gesamtsystem wetterabhängiges Energiesystem aus Wind, PV, … und saisonaler Wärmelast
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 2
Modell
Sektorübergreifende Zubau- und Einsatzoptimierung „SCOPE“
SCOPE Scenario Development Eingangsgrößen Ergebnisse
(SCOPE SD)
– wird zur Ermittlung Brennstoffkosten Optimaler Strommix
kostenoptimierter Europa und/oder DE
Technologiekosten Optimaler Wärmemix
Zielszenarien des zukünftigen
Potenziale/ Restriktionen Kosten- Optimaler Verkehrsmix
Systems unter Emissionszielen
Zeitreihen für minimierung Energiemengengerüst
genutzt Energiebedarfe (Strom, und installierte Leistung
– erfasst große Bandbreite an unter Einhaltung
Wärme, Verkehr) von Klimazielen CO2-Preis
Technologiekombinationen … …
Märkte:
Technologieneutraler Ansatz Wärmemärkte Mobilitätsmärkte
Strommarkt (unt. Haustypen Gasmarkt (unt. Größenklassen CO2-Markt
der geringsten CO2- und Temperaturen) und Fahrleistungen)
Vermeidungskosten Power-to-X Importe
Technologieportfolio:
Windkraft, PV Stromspeicher Power-to-Gas BEV-Pkw/Lkw PHEV/REEV-Pkw/Lkw
Wasserkraft KWK Klimatisierung Kessel Oberleitungs-Lkw
Kondensations-KW Power-to-Heat Wärmepumpen Solarthermie Geothermie
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 3
Modell
Sektorübergreifende Zubau- und Einsatzoptimierung „SCOPE“ 2030 2050
Deutschland eingebunden in Europa Restriktionen im
Markthochlauf auf
Basis Zielsystem 2050
1 historisches Wetterjahr (2012), 8760 Stunden
Europäischer Emissionshandel ETS Nicht-ETS (Langfristige Strategie - Gebäudewärme
Ergebnis der Sensitivitäten zur Biomasse:
Biomasse sollte in der Fernwärme, in Hochtemperaturanwendungen in der Industrie und in der stofflichen Nutzung
genutzt werden statt in Heizungen. Eine Beibehaltung der dezentralen Biomassenutzung hingegen würde Anreize für den
notwendigen Markthochlauf von Wärmenetzen und Wärmepumpen reduzieren.
Beispiel - dekarbonisiertes Energiesystem 2050 bei Ausstieg dez. Biomasse und moderater Sanierung:
Im Massenmarkt Einfamilienhaus vor
allem Luftwärmepumpe, teilweise
Hybrid-WP und Sonden-WP
(Summe 62%)
Ausbau Wärmenetze von heute
11% auf 37%
Vor allem Großwärmepumpen
Aber auch Solarthermie,
Geothermie, Abwärme, Müll
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 5Langfristige Strategie - Wärmenetze
Es gibt ausreichend EE-Wärme zur Versorgung dieser Netze
Die Einbindung bedingt 16
oftmals eine andere Netzstruktur 2030 2050 Trend 2050 Ambitioniert
Fernwärmeerzeugung [GW]
14
Hohe Temperaturabsenkung Solar Großwärmepumpen
12
Den Bau langer
10
Anbindeleitungen vom
geringe technische
Stadtrand 8
(Solarthermie, Klärwerk, …)
Restriktionen
6
Die innerstädtische Bestands- Ab- Geoth.
4
Netzverstärkung für anlagen wärme
2
zentrale EE-Quellen
0
(Standtrand, Geothermie, …)
Erhöhung des Massenflusses
bei Temperaturabsenkung
der Netze
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 6Langfristige Strategie - Strom
Steigerung der Stromnachfrage von heute ca. 560 TWh auf 833 TWh (hohe Effizienz) bis 890 TWh (moderate Effizienz)
Strombilanz
hohe Effizienz moderate Effizienz
Wind + Photovoltaik,
1000 1000 1000 1000
aber nur noch geringe Erzeugungsanteile Power-to-X
EE-Abregelung
von KWK 900 900 900 900
Bahn/ÖPNV
Netto-Import
157 bis 205 TWh 800 800 800 800
E-Lkw
Stromverbrauch für Gas-KWK
700 700 700 700
E-Pkw
Gebäude- und Industriewärme
Gas-Kond. 600 600 600 600
Strom [TWh/a]
Strom [TWh/a]
Strom [TWh/a]
Strom [TWh/a]
Klimatisierung
Keine dezentralen Gas- oder
Müll, Klärgas 500 500 500 500
Öl-Kessel auf PtX-Basis, dez.WP
Laufwasser 400 400 400 400
Spitzenlastkessel in der Fernwärme PtH/Groß-WP
auf Basis Holz oder PtG Wind-Offshore
300 300 300 300
Speicherverluste
200 200 200 200
Wind-Onshore Netzverluste
100 100 100 100
PV Herkömml.
Verbrauch
0 0 0 0
Erzeugung Verbrauch Erzeugung Verbrauch
Zusätzlich hohe PtX-Importe für internationalen Verkehr, Range-Extender im Straßenverkehr, chemische Industrie, u.a.)
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 7Der Ausbau der Wärmenetze muss jetzt und mit Kraft beginnen
Ausbau differenziert nach Gemeindegröße:
Wärmenetzanteill 2030/2050 an Endenergie 2030
140 60%
urban rural
120 50%
Endenergie [TWh/a]
100
40%
FW-Anteil
80
30% Einzelheizung
60
FW-Neu
20%
40 FW-Verdichtung
20 10% FW-Bestand
0 0% FW-Anteil Quelle: BBSR
Quelle: Eigene Analysen auf Basis Beuth/ifeu 2017
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 8Der Ausbau der Wärmenetze muss jetzt und mit Kraft beginnen
Um das Wärmenetzpotenzial zu erschließen, ist ein möglichst weiter Ausbau der Wärmenetze bereits bis zum Jahre
2030 notwendig. Vereinfachend ergibt sich ein notweniger zusätzlicher Netzausbau von 85.000 km und 5,7 Mio.
Hausanschlüsse um in 12 Jahren von 11 % auf 37 % Endenergieanteil durch Wärmenetze zu kommen. Dies stellt eine
Steigerung um den Faktor 6 bis 7 gegenüber dem bestehenden Netzausbau dar.
Auch wenn langfristig der Gebäudebestand bei sehr hohen Sanierungsraten nur noch einen geringen Energiebedarf
aufweisen sollte, ist dieser frühzeitige ambitionierte Netzausbau wirtschaftlich.
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 9Durch den starken Ausbau von großen Wärmenetzen kann das Sektorziel Gebäude 2030
leichter erreicht werden
Das Sektorziel für Gebäudewärme kann sowohl durch den starken Ausbau von großen Wärmenetzen (Verlagerung von
Emissionen in den ETS-Bereich) als auch den Einsatz von dezentraler Biomasse (Allokation eines begrenzten Potenzials im
Gebäudesektorbereich) in seinem Ambitionsniveau stark reduziert werden, ohne damit implizit den Ausbau von EE-Wärme
zu berücksichtigen.
Generell ist eine Beibehaltung der dezentralen Biomassenutzung aber nicht notwendig um das Sektorziel zu
erreichen.
Sonde-WP
Gebäudewärme wenig Bio Gebäudewärme viel Bio Luft-WP
0% Hybrid-WP
Strom direkt
1%
Biomasse
7% 0% 3% Gaskessel
0% 7%
8% 34% 4% Ölkessel
35% 4% KWK-Bestand
36% 31% 8% KWK+PtH
12% 11%
8%
KWK+GWP
14% KWK+Solarthermie
6% 10% 5% 7%
4% 0% 4% 0% 4% Kessel+WP
2% 2% 0% Heizwerk+Solarthermie
0%
Geothermie
Müll+IndustrieAW
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 10Problem – diese mittelfristig stark ansteigende Wärmenachfrage in Netzen kann nur zu begrenzten
Anteilen mit KWK versorgt werden
Ein frühzeitiger starker Wärmenetzausbau führt mittelfristig zu sehr hohen thermischen Nachfragen aus der Summe der
Wärmenetze in Deutschland.
Die Höhe und Dauer der Stromlücke die sich durch den Windkraft- und Photovoltaikausbau, den europäischen
Stromhandel oder den Kohleausstieg noch ergeben ist deutlich kleiner als die Wärmenachfrage.
KWK (mit Fokus große BHKW) mit geringer Leistungsauslegung in Bezug zur Wärmehöchstlast
Ein frühzeitiger EE-Wärmeausbau ist notwendig. Problem: Stromkosten Großwärmepumpe
moderate Sanierung hohe Sanierung
Anteil Fernwärme an Gebäudewärme
900 900
dezentral dezentral
800 800
zentral zentral
700 700
Endenergie [TWh/a]
Endenergie [TWh/a]
600 600
500 500
400 400
300 300
200 200
100 100
0 0
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
2032
2034
2036
2038
2040
2042
2044
2046
2048
2050
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
2032
2034
2036
2038
2040
2042
2044
2046
2048
2050
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 11Für den Ausbau der Wärmenetze ist der frühzeitige Abbau der Hemmnisse für den Einsatz von
Großwärmepumpen entscheidend
Beispiel: Förderung Wärmenetze 4.0 (50% EE-Mindestanteil) Umsetzung in der 2. Phase sehr schleppend
Strompreisbestandteile (Arbeit) Großwärmepumpe
Hohe Strompreisbestandteile 180
Stromsteuer
bis in die 30er-Jahre hinein, 160 AbLaV-Umlage
insbesondere EEG-Umlage
140 19,3 17,9 Netzentgelte
KWKG-Umlage
Zusätzlich Leistungspreise 20,5
Strompreis (€/MWh)
Leistungspreise Offshore-Umlage
für Netzentgelte 120 16,6 bei 4.000h/a
§19-(2)-StromNEV-Umlage
100 64,9 59,7 15,4 EEG-Umlage
80 63,5 41,6 14,3 Konzessionsabgabe
Gegenüber Gaskessel ist Strom 13,2 12,3
21,7 7,0
viel zu teuer, die Wärmepumpen 12,3 11,3
Netzentgelte Arbeitspreis
60 13,9 12,7 12,3
wird nicht eingesetzt. 14,0 14,2 Strombeschaffung, Vertrieb und
Marge inklusive CO2-Kosten
Diese Nachteile kann eine 40 13,4
Investitionsförderung nicht 47,1 50,2 51,4 52,6 53,7 54,4
20 28,7 44,8
kompensieren!
0
2016 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Jahr
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 12CO2-Preis reicht nicht aus. Zusätzlich ist eine Verlagerung Stromkosten Gas-/Öl-Kosten notwendig,
um Sektorkopplung zu ermöglichen.
Im Rahmen der Anlagenförderung im Markthochlauf sind arbeitspreisbezogene Förderungen und Reduktion von EEG-
Umlagen/Netzentgelten zu diskutieren um den grenzkostenbasierten Anlageneinsatz zu verbessern, so dass für
Großwärmepumpen ein Fremdstrombezug immer wirtschaftlich möglich wird.
Eine ambitionierte CO2-Bepreisung (z.B. 75 €/t 2030) reicht hierfür kurz- bis mittelfristig als alleinige Maßnahme
nicht aus. 5,0
COP mit CO2-Preis
COP ohne CO2-Preis
4,0
Strompreis vs.
Wärmepreis auf Gasbasis
3,0
Noch hohe
Netztemperaturen in
der nächsten Dekade
2,0
1,0
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
2032
2034
2036
2038
2040
2042
2044
2046
2048
2050
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 13Weitere zentrale Ergebnisse finden Sie in der Management Summary 1. Im Massenmarkt Einfamilienhaus ist die Luft-Wärmepumpe die zentrale Heizungstechnologie 2. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von EE-Wärme ist ein verlässlicher regulativer Rahmen für eine zielgerichtete Preisentwicklung für CO2 und Strom 3. Der Ausbau der Wärmenetze muss jetzt und mit Kraft beginnen 4. Potenzial an Wärmenetzen und EE-Wärme kann eine lediglich moderate Gebäudesanierung kompensieren 5. Hemmnisse für die Erschließung der EE-Wärmenetzpotenziale abbauen 6. Hemmnisse für den Einsatz von Großwärmepumpen in Wärmenetzen abbauen 7. Durch den starken Ausbau von großen Wärmenetzen kann das Sektorziel Gebäude 2030 leichter erreicht werden 8. Biomasse sollte in der Fernwärme, in Hochtemperaturanwendungen in der Industrie und in der stofflichen Nutzung genutzt werden statt in dezentralen Kesseln 9. In Verbindung mit einem sehr ambitionierten deutschlandweiten Wärmenetzausbau nehmen neue Gas-KWK-Anlagen als große BHKW eine geringere anteilige Leistung in der Wärmeversorgung vor Ort ein 10. Langfristig ist eine vollständige Dekarbonisierung der Gebäudewärme mit einem Mix verschiedener Technologien möglich https://www.iee.fraunhofer.de/de/projekte/suche/laufende/transformationspfade-im-waermesektor.html N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 14
Ausblick auf den weiteren Projektverlauf
Systemvergleich Miko - Makro
Kostenoptimierte Transformationspfaden von Beispielnetzen unter Prämissen zur Weiterentwicklung des regulatorischen
Rahmens (Mikro-Sicht)
Im Vergleich dazu Transformationspfade des Gesamtsystem (Makro-Sicht)
Projektabschluss Sommer 2020
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 15Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Norman Gerhardt
Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse
E-Mail: norman.gerhardt@iee.fraunhofer.de
Tel.: 0561 7294-274
Fraunhofer IEE
Königstor 59
34119 Kassel
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 16Klimaziele 2030
Strombilanz Deutschland EE-Abregelung
700
Netto-Import
Europäische Erhöhung der Klimaziele von -40% auf -45%
Gas-KWK
nur Verschärfung der ETS-Ziele
Erzeugung [TWh/a]
500
Gas-Kond.
Sektorziele in Deutschland für den Nicht-ETS-Bereich Steinkohle
300 Braunkohle
Sektorziel Verkehr Müll, Klärgas
Sektorziel Gebäudewärme Biomasse
100 Laufwasser
250
Stromhandel
Wind-Offshore
2030
200 -100 Wind-Onshore
PV
CO2-Emissionen [Mio. t]
Verbrauch [TWh/a]
150 Power-to-Gas
-300 Bahn/ÖPNV
100 E-Lkw
-500 E-Pkw
50 Klimatisierung
dez.WP
0 -700 PtH/Groß-WP
-43% -66% -100% wenig Bio viel Bio
Speicherverluste
1990 2014 2030 2050
mittlere Sanierung Netzverluste
Hoher Anstieg des Sektorkopplungs-Stromverbrauch Herkömml. Verbrauch
N. Gerhardt Berlin, 13. Mai 2019. 17Sie können auch lesen
