Analyse des Energie-Autarkiegrades unterschiedlich großer Bilanzräume mittels integrierter Energiesystemmodellierung Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK), Universität Stuttgart Lehrstuhl für Bauphysik, Abt. Ganzheitliche Bilanzierung (LBP-GaBi), Universität Stuttgart Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt in der Helmholtz Gemeinschaft (DLR), Stuttgart Projektlaufzeit vom 1.12.2013 bis zum 31.5.2016 Statuskolloquium Umweltforschung Baden-Württemberg Karlsruhe, 3. und 4. Februar 2016 (BWE 13033 – 13034)

Zielsetzung: Energie-Autarkie Systemische Analyse der Auswirkungen unterschiedlicher Energie-Autarkiegrade auf das Energieverbrauchsniveau und seine Struktur, die Ausgestaltung der notwendigen Infrastruktur (Speicher, Netze usw.), die Treibhausgas-emissionen und die wirtschaftlichen Belastungen. Ist Energieautarkie für eine größere Stadt (Metzingen) oder ein Bundesland (BaWü) technisch möglich, ökologisch sinnvoll und gewünscht? Welche Speicherdimensionen / -technologien sind in welchen Energiebereichen nötig, welche sinnvoll und möglich? Wird Autarkie gestützt durch Partizipation (Stakeholder und Experten), Akzeptanz (Bürgerschaft) und Aktivitätspotenzial (Stadtwerke, Energiegenossenschaften, Lokale Agenda Gruppen usw.)?

Methodische Ansätze und Ihre Vernetzung Autarkie Untersuchung im Gesamtmodell Technologie-optionen (AP 3) Szenarien (CIB) Szenarioentwicklung Potenziale (AP3) Bereitschaft Teilhabe Basisszenarien Daten TIMES Systemmodellierung PART I Z I PAT ION Direkte Ressourcennutzung Partizipation Bereitschaft zur Energieeffizienz Soziale Basis-Szenarien Prüfung: Netze LCA Ökologisches Modell Netzbetrieb und Netzausbau Indirekte/vorgelagerte Ressourcen (AP6)

Definition von Energie-Autarkie Vermischung von Autarkie und Autonomie in der Literatur ohne genaue Definition Aufarbeitung in wissenschaftlicher Publikation auf Basis einer Dokumentenrecherche Mögliche Bestandteile einer technischen Autarkie: Strom, Wärme, Treibstoffe, graue Energie, Rohstoffe Verschiedene Berechnungsebenen der Autarkie: a) bilanziell nach Mengen b) lastgerecht nach Zeit Wichtig ist die Unterscheidung, dass Autarkie im Sinne einer technisch möglichen Selbstversorgung definiert werden kann (technische Seite) und Autonomie als der Umfang der Bestimmung über Auswahl und Einsatz von Erneuerbaren Energien (sozialwissenschaftlich-partizipative Seite)

Integration,Partizipation & Akzeptanz Wie können und wollen Bürger/innen beteiligt werden? Zur sachlichen Information und Stand der Wissenschaft: > Bürgerinformation Zur Auswahl der Beteiligungsformate seitens der Bürger > Bürgerumfragen Zur intensiven Diskussion technologischer Details: > Bürgergutachten Zur Sicht der Jugendlichen auf die Energiewende 2050 > Jugendgutachten Zur Energiewende als Bildungsthema: > Schülergutachten Zum Austausch der Zwischenergebnisse: > Bürgerversammlungen Zur abschließenden Beratung der zentralen Ergebnisse > Bürgerkonferenz Etablierung der Bürgerbeteiligung > Lokales „Energieparlament“ Ziel ist es, die Energiewende zum lokalen Thema in der Bürgerschaft (einschließlich der nachfolgenden Generation) zu machen sowie zum Mitmachen + Mitbestimmen anzuregen!

Integration, Partizipation & Akzeptanz - Zwischenergebnisse Bürgerumfrage (n=570): Die direkte Betroffenheit durch die Energiewende erscheint gering Moderate und relative technische Autarkie mit möglichst viel Ern. Energien Technische Effizienz der Technologien hat gegenüber politischer Wertung der Autarkie Priorität (z.B. Import Öko-Strom von externen Anlagen) vollständige Autonomie bzgl. Eigentum und Beteiligung an Anlagen Ergebnisse der Umfrage dienen als Input für die technische Modellierung Bürgergutachten (n=23): das Verfahren Bürgergutachten findet als Beteiligungsverfahren eine hohe Akzeptanz mit zwei Gruppen und einer Jugendgruppe seit Mai 2015 Bürger- und Jugendgutachten (n=11) Die Energiewende wird als Bildungsthema gesehen und soll adäquat vermittelt werden im Bildungsprozess (Technologien, individuelle Verantwortung, Energieverhalten) Bürgerumfrage(n=570): vorwiegend Personen mit höheren Bildungsabschluss (ca. 80%), vorwiegend Haus- oder Wohnungseigentümer (75%), vorwiegend Männer (ca. 75%) und viele ältere Personen über 60 Jahre (ca. 55%). Die direkte Betroffenheit erscheint gering

Autarkie Pfade zur Erreichung von lastgerechter / bilanzieller Autarkie Reduzierung des Bedarfs Nutzung heimischer Ressourcen Suffizienz Einsparung Erneuerbare Energien Fossile Brennstoffe Dämmung etc. Innovative Techniken Speicher Netze Anwendbar auf unterschiedlichen Ebenen, z.B. Gebäude, Industrie, Stadtteile, Gemeinden, Regionen, …

Techno-ökonomische Betrachtung Technologie Steckbriefe Auswahl verschiedener Technologien / Optionen Technische-ökonomische Bewertung Wirkungsgrade, Leistungen, Arbeitszahlen Investitionskosten, Betriebskosten Lokale Potenzialermittlung in Metzingen & Baden-Württemberg Ganzheitliche Bilanzierung Analyse der Umweltauswirkungen über den Lebensweg der Technologien in einer Ökobilanz Unterscheidung zwischen herstellungs- und betriebsbedingten Umweltauswirkungen Unterscheidung zwischen energie- und prozessbedingten Umweltauswirkungen

Technologie-Steckbriefe Bsp.: Lithium-Ionen-Batterie Bisherige Betrachtung von zahlreichen Wärme- und Stromtechnologien Nächster Schritt: Verkehrstechnologien Nutzung der Steckbriefe in den Bürgergutachten

Energie-Autarkiepotenziale von Wohngebäuden Lastgerechter Energieautarkiegrad (Einfamilienhaus): Gastherme + Solarthermie + PV + Batterie Batteriekapazität: Für das Bestandsgebäude wirkt der Einsatz eines Batteriespeichers deutlich schwächer aus Für das Bestandsgebäude liegt das Optimum des Energieautarkiegrades bei einer Dachflächenbelegung von 20% PV und 80% Solarthermie. Dies resultier aus dem hohen Wärmeanteil am Gesamtenergiebedarf Die Nutzung eines größeren Dachflächenanteils für PV, resultiert aus dem hohen Stromanteil am Gesamtenergiebedarf. Als weiteres Merkmal lässt sich feststellen, dass die erreichbaren Energieautarkiegrade für das Passivhaus ca. doppelt so hoch wie die Energieautarkiegrade als für das Bestandsgebäude. Der Grund liegt auch hier im deutlich geringeren Wärmebedarf des Passivhauses.

Innovative Nutzung von Geographischen Informationssystemen (GIS) Strom Endenergiebed. In 2012: 114,3 GWh Quartierweise Wärmebedarfs- ermittlung und Potenzialbestimmung 110 100 90 80 70 Amtliches Liegenschaftskataster Definition des Siedlungstyps Trennung von Wohnhäusern, GHD, städt. Liegenschaften und Industrie 58.9 Gebäudetypologie Berücksichtigung von Altersstruktur, Sanierungszustand und Wohnflächen 8.7 Luftbild Potenzialbestimmung für Erneuerbare Energien über Dach und Freiflächen Einbeziehen von Nutzungsdaten aus Bürgerumfrage Wärmebedarfsdichte Ergebnis stellt eine „Energie-Karte“ Metzingens dar ähnlich eines Wärmeatlas EE-Potenziale Quartiersbezogene Darstellung der Potenziale Erneuerbarer Energien davon bedingt geeignet 350 Wärme Endenergiebed. In 2012: 288,0 GWh 346.0 340 330 320 310

Optimierter Zubau für PV-Anlagen Verteilung des potenziellen Photovoltaik Zubaus auf die Stadtquartiere Netz heute: 27,1 MWp,el. Theoretisches PV Potenzial: 103,5 MWp,el 2,4 2,0 2,5 1,7 2,1 1,1 2,2 0,9 0,4 1,0 Ergebnis der optimierenden Lastflussberechnung Verteilschlüssel  TIMES-Modell

Kostenoptimaler Verteilnetzausbau Implementierung einer Optimierung für einen kostenoptimalen Netzausbau basierend auf einem genetischen Algorithmus Validierung anhand eines CIGRE Benchmarks Zulässiges Spannungsband ± 5 % Einhaltung der max. thermischen Ströme Technologieoptionen für den Netzausbau Ergebnisse werden anhand der optimalen Lösung validiert (ermittelt über Brute-Force-Methode) 20 kV Bus1 Bus2 Bus3 Bus4 Bus5 Bus11 Bus10 Bus9 Bus8 Bus7 Bus6 Slack ≙ 1 MW Einspeisung ≙ 1 MW Last Kostenoptimale Lösung + -   Kosten in Tsd. € Lebensdauer in a Auswirkung Erdkabel 105 je km 50 Yij , Itherm RONT 40 30 ΔUi = ± 8 % Batteriespeicher 500 kVA 500 20 Si Yij Admittanz Itherm Maximaler thermischer Stromfluss ΔUi zulässiges Spannungsband Si Last/Einspeisung aus Batteriespeicher

Cross-Impact-Bilanzanalyse Gesellschafts-szenarien (CIB) Bevölkerung Ölpreis BIP Verkehr Einstellungen Politische Leitbilder Planungs-recht Scen I Scen II Scen III Energie-szenarien (TIMES)

Cross-Impact-Bilanzanalyse Für die Szenarioerstellung wurden die relevantesten Faktoren für die Energieszenarien herausgearbeitet und Deskriptoressays erstellt Kurze Beschreibung des Ist-Zustandes Zwei bis fünf mögliche Entwicklungsvarianten für jeden Bereich Expertenworkshops zur Faktorenauswahl und Bewertung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Varianten jedes Deskriptors  Cross-Impact-Matrix aus den Faktoren: Ausbau Verteilnetz Entwicklung Biokraftstoffe Ausbau Photovoltaik Ausbau Erneuerbare Struktur des ÖPNV Ausbau Windkraft Autarkiegrad Strom CO2-Preise Biomasseimporte Autarkiegrad Wärme Sanierungsgrad und -tiefe Rohstoffpreise Autarkiegrad Mobilität Modal Split EU-Integration Gesetzgebung Strommarkt Eigenerzeugung Strom u. Wärme BIP Demographische Entwicklung

Systemmodellierung - TIMES Struktur Analyse für unterschiedliche Bilanzräume (Metzingen, Baden-Württemberg) Räumlich hochaufgelöstes TIMES-Modell entsprechend der Bebauungsstruktur Charakterisierung der Teilgebiete hinsichtlich Gebäudestruktur und Technologieverfügbarkeit & Längen- feld-Ost &Keltern- platz & Braike-Wangen Ziele Auswirkungen unterschiedlicher „Autarkiegrade“ auf den Energieverbrauch (Niveau und Struktur) Treibhausgasemissionen Wirtschaftliche Implikationen Ausgestaltung der notwendigen Infrastruktur (Speicher, Wärme-/ Gasnetze usw.) → Plausibilisierung Stromnetz

Energiesystemmodellierung – erste Teilergebnisse Wärmeautarkie HH Beispiel: Wärmeautarkie (Raumwärme und Warmwasser) durch Sanierung und Einsatz von Solarthermie (Vakuumröhren und Flachkollektoren) Bisher Annahme: Gleichbleibender Gebäudebestand ohne Neubau und Abriss Wärmeautarkiepotential in Metzingen Einsparung durch Wärmeschutzverglasung Zusätzliche Einsparung durch Dachdämmung Zusätzliche Einsparung durch Außenwanddämm. Zusätzliche Einsparung durch Kellerdeckendämm.

Ökologisches Gesamtmodell Nach der Simulation der Autarkie-Szenarien mit TIMES werden diese abschließend auf ihre ökologischen Auswirkungen hin überprüft Analyse der Umweltwirkungen über den gesamten Lebensweg der Technologien Der Aufbau des generischen ökobilanziellen Gesamtmodells erfolgte bislang für die beiden Bereitstellungskategorien Wärme und Strom Nächste Schritte: Erweiterung des Modells um Verkehrstechnologien und deren Umweltwirkungen

Projektteam Jan Tomaschek Ulrich Fahl Lukasz Brodecki Wolfgang Hauser Marco Sonnenberger Christian León Uwe Pfenning Andreas Siebenlist Florian Gutekunst Roberta Graf Michael Baumann Rafael Horn LBP

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Jan Tomaschek / Dr. Ulrich Fahl Heßbrühlstr. 49a, 70565 Stuttgart Tel.: +49 711 / 685 878 -36 / -30 E-mail: Jan.Tomaschek@ier.uni-stuttgart.de Ulrich.Fahl@ier.uni-stuttgart.de IER Institut für Energiewirtschaft Rationelle Energieanwendung