Dezentrale Energieumwandlung in Deutschland Technische Grundlagen, Wirtschaftlichkeit und Regulierung Dipl.-Ing. Jens Bömer Universidad de Chile Santiago de Chile 26. April 2005

Einführung Entwicklung von dezentraler Energieumwandlung in Deutschland Regulierung Technische Erfahrungen Zusammenfassung Inhalt

Kennzahlen der Stromerzeugung in Deutschland 2003 Brutto-Stromerzeugung 597 TWh Steinkohle 24% Kernenergie 27% Enereuerbare Energien 8% Erdgas 10% Braunkohle Heizöl/Sonstige 4% Erneuerbare Energien 45 TWh Wasser 46% Abfälle 4% Fotovoltaik 1% Wind 41% Biomasse 8% Netto-Stromverbrauch 521 TWh Handel, Gewerbe, Dienstleistungen 27% Private Haushalte Industrie 46% Quelle: IEA Kennzahlen der Stromerzeugung in Deutschland 2003

Entwicklung des bestehenden Kraftwerksbestands bis 2030 Installierte Leistung in Deutschland Quelle: VGB PowerTech Entwicklung des bestehenden Kraftwerksbestands bis 2030

Zeitliche Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit (Kl. Wasserkraft bis 5 MW) (bis 3 MW) (bis 20 MW) (bis 5 kW) 2004 Windkraft Onshore 8,7 Cent/kWh Biomasse 8,4 Cent/kWh Laufwasserkraft 6,6 Cent/kWh Fotovoltaik 45,7 Cent/kWh EEG-Novelle Monatsdurchschnitt EEX-Spotmarkt: 4 Cent/kWh EEG Die Grafik zeigt die Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in den letzten 15 Jahren. Der Anteil der Wasserkraft ist ungefähr gleich geblieben. Das liegt daran, dass das Potenzial der Wasserkraft in Deutschland weitgehend ausgenutzt ist. Die Einspeisevergütung für Strom aus Wasserkraft gilt nur für Laufwasserkraftwerke, die sich darüber hinaus ökologisch gut in den Flusslauf eingliedern. Nachgewiesen wird das durch die Vorlage der behördlichen wasserrechtlichen Zulassung der Anlage. Die Einspeisevergütung für Fotovoltaikanlagen mit einer Leistung bis 30 kW liegt sogar 25 % über der hier genannten Einspeisevergütung. Betrachtet man die gesetzlich festgelegten Einspeisevergütungen stellt man fest, dass sie mindestens 60 % über dem durchschnittlichen Strompreis in Deutschland liegen. Es wird auch deutlich, dass die Einspeisevergütung der Energieträger, die seit Einführung des EEG im Jahr 2000 an Bedeutung zugenommen haben, in der EEG-Novelle von 2004 niedriger gewählt worden ist. Zeitliche Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien

Nutzbares Potenzial (Datenbasis 1999) Kosten der CO2-Einsparung (StrEG, EEG) Geothermie Fotovoltaik Windenergie Biomasse Wasserkraft Klärgas Grubengas Deponiegas Quelle: Fraunhofer UMSICHT, 1999 Nutzbare Potenziale erneuerbarer Energien in Deutschland und „Kosten“ der CO2-Einsparung

Elektrische Leistung von 1 kW bis 20 MW Anschluss an das Nieder- oder Mittelspannungsnetz Fossile Energieträger Regenerative Energieträger Deterministisch einspeisend Dieselgenerator (KWK) Mikroturbine (KWK) Brennstoffzelle (KWK) Biomasseanlage (KWK) Laufwasserkraftanlage Geothermische Anlage (KWK) Meeresenergie Stochastisch einspeisend Windenergieanlage Photovoltaikanlage Definition und Klassifikation von dezentralen Energieumwandlungsanlagen

Zeitliche Entwicklung der Stromerzeugung aus Windenergie 2004 40 140 230 670 940 1.800 2.200 3.000 4.489 15.856 18.500 9.500 5.528 10.456 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 20.000 [GWh/a] [MW] Stromerzeugung installierte Leistung Einführung Erneuerbare - Energien Gesetz (EEG) Hier ist die Entwicklung der Windenergienutzung während der letzten 15 Jahre in Deutschland dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass die Verdoppelung der installierten Anlagenleistung seit der Einführung des EEG im Jahr 2000. Hier lässt sich aber auch schon eine wesentliche Schwierigkeit beim Anstieg der Nutzung regenerativer Energieträger erkennen: Die Benutzungsdauer Tm von WEA liegt in Deutschland durchschnittlich unter 1000 Stunden im Jahr. Zum Vergleich, die Benutzungsdauer von Braunkohlekraftwerken liegt bei ca. 7200 h/a. Novelle Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG-Novelle) Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit Zeitliche Entwicklung der Stromerzeugung aus Windenergie

Ausbau der Windenergie in Deutschland Quelle: DEWI Prognostizierter jährlicher Zubau von WEA Räumlich sehr unterschiedlicher Ausbau (Norddeutschland, Küste) Repowering ersetzt/ erweitert bestehende Anlagen Zyklischer Zubau an WEA-Leistung Quelle: DEWI Prognostizierte WEA-Leistung Im Jahr 2030 wird die Leistung aller WEA knapp 40 % der heutigen Kraftwerksleistung entsprechen Probleme der Integration von Offshore-WEA noch nicht gelöst Maximale Durchdringung mit WEA bisher umstritten onshore und offshore DENA-Studie hat 2005 gezeigt, dass: Netz für große Offshore-WEA ausgebaut werden muss WEA müssen in ein Energie-Management-System eingebunden werden onshore Ausbau der Windenergie in Deutschland

Historie der Gesetze und Richtlinien Allgemein 1990 Stromeinspeisegesetz 1996 EU-Richtlinie 96/92/EG 1997 Kyoto-Protokoll (CO2-Senkung) 1998 Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) 2000 Ausstieg aus der Kernenergie 2002 “Ökologische Steuerreform” 2002 Novelle des EnWG 2005 Novelle des EnWG (noch vom Bundesrat zu ratifizieren) abgelöst aktuell 2000 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2001 Biomasseverordnung 2001 EU-Richtlinien zur Förderung erneuerbarer Energien 2002 Photovoltaik Vorschaltgesetz zum EEG 2004 Novelle des EEG Regenerativ Das Kyoto-Protokoll wurde im Jahr 2002 von Deutschland ratifiziert. 2000 KWK-Vorschaltgesetz (angewandt auf EnWG) 2002 KWK-Ausbaugesetz mit Erweiterung Brennstoffzelle 2004 EU-Richtlinie KWK KWK Historie der Gesetze und Richtlinien

Teilnahme von DEA auf dem Markt Spotmarkt Konventionelle Kraftwerke Großkunden Bilanzkreise DEA Privatkunden Stromlieferung Teilnahme von DEA auf dem Markt

Verteilungsnetz- betreiber (VNB) Realisierung der DEA DEA-Investor Baubehörde Verteilungsnetz- betreiber (VNB) Umweltschutzamt Forstamt Wasserschutzbehörde Telekommunikationsbehörde Luftfahrtbehörde Clearing-Stelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (Berlin) Clearing-Stelle Streit, z. B. über Anschlusspunkt Genehmigungsverfahren für Planung, Errichtung und Anschluss von DEA in Deutschland

Internationale Normen DIN EN 50160 Merkmale der Spannung in öffentl. Elektrizitätsversorgungsnetzen DIN EN 61727 Photovoltaische (PV) Systeme Deutsche Normen des VDE VDE 0100 Elektrische Anlagen von Gebäuden VDE 0838/9 Elektromagnetische Verträglichkeit VDE 0126 Selbsttägige Freischaltstelle für Photovoltaikanlagen... VDE 0127 Windenergieanlagen VDE 0558 Halbleiter-Stromrichter VDE 0530 Drehende elektrische Maschinen VDE 0130 Brennstoffzellentechnologien In Erarbeitung DKE K 373 Photovoltaische Solarenergie Systeme DKE K 384 Brennstoffzellen Empfehlungen und Richtlinien Technische Anschlussbedingungen TAB VDEW-Richtlinien MS & NS VDEW-Richtlinien HöS/HS zusätzliche Regeln Die VDEW-Richtlinien „Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz bzw. am Niederspannungsnetz“ regeln das Verhalten der Erzeugungsanlagen am Mittel- und Niederspannungsnetz. Beide Richtlinien gehen von dem Grundgedanken aus, Rückwirkungen von Erzeugungsanlagen auf das Verteilungsnetz zu minimieren und damit die Versorgungsqualität zu erhalten. Außerdem stellen sie mit ihren Anforderungen sicher, dass bei Störungen im Verteilungsnetz eine schnelle Entkopplung der Erzeugungsanlagen vom Netz erfolgt. VDE: Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik Normen und Anschlussbedingungen für dezentrale Energieumwandlungsanlagen

Erfahrungen aus dem Netzparallelbetrieb von DEA Betrieb einer einzelnen DEA am Netz Ohne Probleme regelbar Teilweise individuell angepasster Betrieb notwendig Großflächige Integration von DEA in Netze Netzstruktur muss eventuell angepasst werden Lastfluss-Berechnung im Hinblick auf Spannung und Engpässe Kurzschlussleistung Schutzsystem Versorgungsqualität Blindleistung Schlussfolgerung: In langfristig geplanten MS/NS-Netzen ist eine großflächige Integration von DEA möglich. Die Definition von “großflächiger Integration” ist sehr umstritten. Die Werte schwanken von 20-60 %, realistisch sind 30 %. Die großflächige Integration von DEA bedarf einer langfristigen Netzplanung. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, zu wissen, wo die DEA installiert werden. Quelle: CIGRE-Symposium Athen, 2005 Erfahrungen aus dem Netzparallelbetrieb von DEA

Übergang zu großflächiger - Verschiedene DEA-Technologien - Koordiniertes Schutzkonzept - Netzintegration - Verteilungsnetz  Ausgleichsnetz - Netzleittechnik - Rückspeisung und Zählung - Wartungskonzepte Übergang zu großflächiger Integration - Frequenzhaltung - Spannungshaltung - Reserveleistung Netzdienstleistungen - Modelle für Lastverhalten - Prognose und Optimierung - Lastfluss - Wärme- oder stromgeführt - Speicherung Dezentrales Energiemanagement Wartungskonzepte für maximale Verfügbarkeit von regenerativen Anlagen (z. B. nachts Reparaturen durchführen, oder wenn kein Wind vorhanden ist) - Netzzugangs-/ Nutzungsvertrag - Energielieferungsvertrag - Netzrückwirkungen - Anschlusszertifizierung Normen und Empfehlungen Handlungsbedarf