1 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Langfristige Auswirkungen von sich verändernden Stromkosten auf eine dezentrale Energieversorgung in urbanen Energiesystemen Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching WissenschaftsZentrumUmwelt, U Augsburg Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, U Augsburg 68. DPG-Physikertagung München, 25. März 2004 Dr. Stephan Richter Kontakt:

2 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 London Paris Hamburg Berlin Warum sind urbane Energiesysteme bedeutsam? Moskau St. Petersburg Madrid Mailand = 3.0 = 2.2 Süd-, West- europa China, Thailand Die hohe Energiedichte hebt urbane Regionen besonders hervor Optimierung dieser Systeme ist Chance und Herausforderung zugleich Lumineszenz Energieverbrauch

3 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März Einleitung 2.Methodisches Vorgehen 3.Fallbeispiel Augsburg 4.Diskussion der Ergebnisse Inhalt

4 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 RESRESAbbildung des Ist-Systems einer Stadt als ReferenzEnergieSystem (RES) oESOESErmittlung zukünftiger, optimierter EnergieSysteme (OES), die der Forde- rung nach Nachhaltigkeit genügen Aufzeigen möglicher Entwicklungspfade und Zielpunkte einer nachhaltigen Entwicklung urbaner Energiesysteme Vergleich der OES mit dem RES und der OES miteinander Aufgabenplan von URBS Nachhaltigkeit im Sinne der Brundtland-Definition von 1987 Nachhaltiges Energiesystem := Ein Energiesystem, in dem hinreichend Energie zu akzeptablen Kosten verfügbar ist, so dass die sozio-ökonomische Entwicklung nicht beschränkt wird. Gleichzeitig dürfen nur minimale Negativeinwirkungen auf die Umwelt resultieren. Einsatz der Methode URBS = URBS Die Methode URBS wurde entwickelt, um urbane Energiesysteme integral beschrieben und für die Zukunft optimieren zu können. URb Urban Research Toolbox: S Energy Systems Um Energiesysteme integral betrachten zu können, müssen die zahlreichen Einflussgrößen auf diese urbanen Energiesysteme berücksichtigt werden!

5 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Die Methode URBS im Überblick … … … … Stadt- entwick- lungs- modul Energie- technik- modul Umwelt- modul Energie- nachfrage- modul … Wohnraum und Gebäude Energie- struktur Wirtschafts- struktur Bevölkerung und Erwerbs- struktur Bevölker- ungszahl Beschäf- tigte … Raum- wärme Prozess- wärme … Wärme Strom Kraft Licht Referenz- energie- system (RES) optimiertes Energie- system (OES) Verfügbarkeit von Techniken in der Zukunft zukünftige Entwicklungs- pfade atmosphä- rische Dispersion lokale Energie- ressourcen Abfallströme Hydrosphäre Pedosphäre

6 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Stadtentwicklungsmodul Identifikation, Sammlung und Analyse der Indikatoren der Stadtentwicklung mit Einfluss auf das Energiesystem Projektion der Indikatoren in die Zukunft, um so die Anforderungen an das Energiesystem zu formulieren Energietechnikmodul Unter der Annahme von technischen Entwicklungen und Kosten für die Zukunft werden mögliche technische Entwicklungspfade vorgeschlagen. Hieraus werden die kosten- und emissionsoptimalen Technikkombina- tionen zur Nachfragedeckung ermittelt. Energienachfragemodul Basierend auf dem Stadtentwicklungs- modul werden zeitlich hoch aufgelöste Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die Projektionsjahre generiert (Elektrizität, NT-Wärme, …) Umweltmodul Abschätzung des Potentials lokal/ regional begrenzt verfügbarer Energieträger (Erneuerbare Energien) Integrale Betrachtung der Umwelt- einflüsse der OES durch die Einbeziehung der atmosphärischen Dispersion verschiedener Emissionen Stadtentwicklungsmodul Identifikation, Sammlung und Analyse der Indikatoren der Stadtentwicklung mit Einfluss auf das Energiesystem Projektion der Indikatoren in die Zukunft, um so die Anforderungen an das Energiesystem zu formulieren Energietechnikmodul Unter der Annahme von technischen Entwicklungen und Kosten für die Zukunft werden mögliche technische Entwicklungspfade vorgeschlagen. Hieraus werden die kosten- und emissionsoptimalen Technikkombina- tionen zur Nachfragedeckung ermittelt. Energienachfragemodul Basierend auf dem Stadtentwicklungs- modul werden zeitlich hoch aufgelöste Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die Projektionsjahre generiert (Elektrizität, NT-Wärme, …) Umweltmodul Abschätzung des Potentials lokal/ regional begrenzt verfügbarer Energieträger (Erneuerbare Energien) Integrale Betrachtung der Umwelt- einflüsse der OES durch die Einbeziehung der atmosphärischen Dispersion verschiedener Emissionen Die Module von URBS

7 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März Einleitung 2.Methodisches Vorgehen 3.Fallbeispiel Augsburg 4.Diskussion der Ergebnisse

8 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 räumliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs

9 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 zeitliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs Stromnachfrage in MW Stunden NT-Wärmenachfrage in MW Stunden Elektrizität NT-Wärme Lastgänge der Endenergienachfrage im RES

10 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Projektion der Stadtentwicklung Ergebnisse: Eine Vielzahl von kumulierten Endenergienachfragemengen für die Jahre 2015 und Davon werden je drei ausgewählt: Die beiden Extrema (gering und stark) und ein mittleres Szenario gering= TWhgering=3.559 TWh mittel = TWhmittel = TWh stark = TWhstark = TWh RES = TWh Diese kumulierten OES-Endenergiemengen werden mithilfe des Energienachfragemoduls in stündlich aufgelöste Zeitreihen aufgeteilt, deren Verlauf proportional zu den RES-Zeitreihen ist.

11 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Referenzenergiesysteme: RES 1 und RES 2 – Modell RES 1 mit, RES 2 ohne Gasturbinen-Kraftwerk 20% der gesamten NT-Wärmenachfrage (Fernwärme) 7.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (Gas-Brennwertheizungen) 42.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (konventionelle Gasheizungen) 15% der gesamten NT-Wärmenachfrage (ältere Ölheizungen) 14% der gesamten NT-Wärmenachfrage (neuere Ölheizungen) 1% der gesamten NT-Wärmenachfrage (sonstige) 100% der gesamten Stromnachfrage Elektrizität Verbundnetz Dampfturbinen-KW MVA Gasturbinen-KW

12 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 RES 1 und RES 2 – Jahresummen der Energieproduktion CO 2 -Emissionen in Augsburg (ohne Verkehr) gemäß ifeu (2003): 1990: t 1996: t 2001: t Berechnete Gesamtkapazitäten im Hausbrand = 961 MW; nach Statistik: [914; 1580] MW Eigenanteil der StaWA an der Stromproduktion nach Inbetrieb- nahme des Gasturbinen-KW>20% RES 1 cost ~25%

13 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 RES 3 – Modell RES 3 = gasdominiertes Referenz- energiesystem mit Schwerpunkt auf ungekoppelter Bereitstellung von Elektrizität und NT-Wärme. Techniken: Gas- und Dampfturbinen-KW zur Elektrizitätserzeugung Gas-Brennwertheizungen zur NT- Wärmeerzeugung Fernwärmenetz mit zwei Gasturbi- nen-KW und MVA bleibt erhalten GuD-KW KWK-Gasturbinen MVA Gas-BW-Heizung

14 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 RES 3 – Jahressummen der Energieproduktion CO 2 -Emissionen [1.20; 1.88] Mt p.a.

15 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 OES 2025 rot = neue Technik Erdwärmepumpe MCFC zentrale KWK RES-Anlagen Spitzenlast Holzhackschnitzel Photovoltaik MCFC zentrale KWK Gas-BHKW Biogas-BHKW PEMFC RES-Anlagen Gas-BHKW Biogas-BHKW Spitzenlast Solarkollektor Speicher PEMFC Gas-BW Pellets Technik RES Erdwärmepumpe

16 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 OES 2025 – Jahressummen der Energieproduktion

17 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 OES 2025 – Monatssummen der Energieproduktion KostenoptimierungCO 2 -Optimierung

18 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 OES 2025 – sortierte Jahresdauerlinien KostenoptimierungCO 2 -Optimierung Verbundnetz

19 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Kosten für Verbundnetz = s · Kosten Basis-OES OES 2025 – Sensitivität bzgl. Stromkosten Verbundnetz

20 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Gegenüberstellung der Energiesysteme – Emissionen

21 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Gegenüberstellung der Energiesysteme – Kosten Dargestellt sind die Gesamtkosten, die relativ zu RES 1 object aufzubringen sind, um ein System umzuformen und ein Jahr zu betreiben.

22 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Berechnung von Luftschadstoffausbreitungen 21 Punktquellen für Emissionen im Stadtgebiet Monitorstation Rechengitter (12.5 x 15) km² Rechengitter mit Zellen, Gitterkonstante = 50m 3 Schadstoffe: NO 2, SO 2, PM Emissionszeitreihen aus der Optimierung original Windfeld vom DWD (Messstation Flughafen Augsburg) BLV digitales Geländemodell ohne Vorbelastungen Emissionsfaktoren aus GEMIS 4.13 Rahmenbedingung der atmosphärischen Ausbreitungsrechnungen

23 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Vergleich der Luftschadstoffbelastungen RES 1 OES25 1 RES 3

24 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März Einleitung 2.Methodisches Vorgehen 3. Fallbeispiel Augsburg 4.Diskussion der Ergebnisse

25 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Diskussion der Ergebnisse Anteil der dezentrale KWK an der gesamten NT-Wärmeversorung bis 2015 < 10%; bis 2025 etwa 20% denkbar, wenn mäßige Förderung anhält. Wichtig hier die technische und Kostenentwicklung bei nicht etablierten Techniken. Eine Entflechtung von Gas- und Leitungswärme-Versorgung ist erforderlich! URBS Die Anwendung von URBS auf Augsburg zeigt, dass URBS geeignet ist, urbane Energiesysteme in der gewünschten Weise zu beschreiben. Aus den zahlreichen Rechnungen sind qualitative und quantitative Schlüsse möglich. Betrachtung der Luftschadstoffbelastung favorisiert bei dezentralen Syste- men BZ wegen inhärent geringen Emissionen gegenüber konventionellen KWK-Techniken. Zentrale Einheiten sind aber insgesamt bzgl. Kosten, CO 2 - Emissionen und Schadstoffbelastungen zusammen positiv. Kosten und Emissionen für Strom aus dem Verbundnetz und Brenn- stoffkosten bestimmen stark die Systemzusammensetzung (betriebsabh. Größen variieren, nicht aber die kapazitätsabh. Größen).

26 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004