Um die Klimaziele des Übereinkommens von Paris einzuhalten, ist eine Transformation zur Dekarbonisierung der Energieversorgung notwendig. Für Europa bedeutet dies u. a. aufgrund landwirtschaftlicher Sockelemissionen eine weitestgehend CO2-freie Stromerzeugung bis spätestens 2050. Damit dieses Ziel im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung erreicht werden kann, ist eine weitestgehend auf erneuerbaren Energieträgern (EE) basierende Stromver-sorgung erforderlich. Die entsprechende Transformation birgt Herausforderungen für das Stromsystem, die durch eine Vielzahl technologischer Optionen gelöst werden können. Daher stellt sich die Frage, welche dieser sehr vielfältigen Optionen wann und in welchem Umfang genutzt werden sollten. Dabei sind die Substitutionsmöglichkeiten zwischen den Optionen und die komplexen Wechselwirkungen zwischen allen Systemelementen zu beachten. Das Umweltbundesamt (UBA) hat die Connect Energy Economics GmbH (Connect) daher damit beauftragt, effiziente Transformationspfade der Stromerzeugung bis 2050 modellgestützt zu identifizieren. Die analysierten Szenarien bilden dabei die Entwicklung des deutschen und europäischen Versorgungssystems bei ambitionierten CO2-Zielen unter verschiedenen Rahmenbedingungen ab. Die Ergebnisse der Szenarien zeigen, dass sich die analysierten Transformations-pfade des Stromsystems durch große technologische Vielfalt, hohe Flexibilität und eine umfassende Nutzung der Vorteile des europäischen Binnenmarktes für Strom auszeichnen. Auch für sehr ambitionierte Klimaziele bestehen Lösungen für eine weitestgehend CO2-freie und zugleich kostengünstige und sichere Versorgung. Quelle: Forschungsbericht
Bei dem Energiekonzept für den EUREF-Campus in Berlin-Schöneberg spielen zahlreiche Elemente zusammen. Die Komponenten sind in der EUREF Energiewerkstatt aufgebaut. Die Erzeugung von Strom und Wärme wird unter anderem durch ein Blockheizkraftwerk nach dem KWK Prinzip gewährleistet. Das Aggregat wird mit Biomethan angetrieben und der Strom wird in das Berliner Stromnetz eingespeist. Die gleichzeitig erzeugte Wärme fließt über ein eigenes 2,5 km langes Wärmenetz auf einem Temperaturniveau von bis zu 90 °C zu den Gebäuden und beheizt die Büros. Durch den zusätzlichen Einsatz von zwei Spitzenlastkesseln sowie einem kleinen Blockheizkraftwerk wird der gesamte Wärmebedarf gedeckt. Weiterhin wird auch Kälte zur Klimatisierung der Büros und Serverräume erzeugt Etwa 1.000 Sensoren geben Aufschluss über die Erzeugung und den Verbrauch von Energie. Auf Basis historischer Verbrauchs- und Wetterdaten und aktueller Wetterdaten wird dann eine Prognose für den Bedarf erstellt. Anhand dieser Prognose, in die auch Marktdaten einfließen, werden die Energieanlagen prädiktiv gesteuert. Daraus kann ein Vorrang für gewisse technische Komponenten resultieren. Ziel kann die energetische oder monetäre Effizienz sein. Hilfsmittel sind auch zwei 22 m³ große Speicher, die zwischen Wärme- und Kältespeicherung umschaltbar sind und als sogenannte Power-to-Heat-/Power-to-Cold-Systeme arbeiten. Gefördert wurde das Vorhaben vom Berliner Programm für nachhaltige Entwicklung (BENE) unter dem Titel: „Entwicklung und Test einer Leitstandtechnologie zum zentralen Monitoring und zur effizienten und vorausschauenden Lenkung hybrider Energieanlagen innerstädtischer Gebäude“ (Förderkennzeichen 1137-B5-O). Die Power-to-Heat-/Power-to-Cold-Anlage wurde im Rahmen des SINTEG-Programms des BMWi gefördert. In Abhängigkeit von Markt- und Wetterprognosen kann für die einzelnen Bausteine des Energiekonzepts die Einsatzreihenfolge festgelegt werden. Der Einsatz der Power-to-Heat-Anlage kommt z. B. dann in Frage, wenn der Strom am Intraday-Markt günstig ist und die Wärmegestehungskosten für die Erzeugung von Wärme mit einem anderen Aggregat höher liegen. Zusätzlich können auch einzelne Flexibilitäten aus dem thermohydraulischen Gesamtsystem vermarktet werden.
Eine CO2-arme Stromversorgung auf Basis erneuerbarer Energien ist ein integraler Bestandteil eines ambitionierten, langfristigen Klimaschutzvorhabens. Die Dekarbonisierung der Stromversorgung im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung erfordert eine vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien (EE) und infolge dessen eine strukturelle Anpassung des residualen Kraftwerksparks, eine Flexibilisierung der Nachfrage, Netzausbau sowie eine verstärkte Nutzung der Schnittstellen des Stromsektors zum Wärme- und zum Verkehrssektor (Sektorkopplung). Um den Transformationsprozess sicher und kostengünstig zu gestalten, müssen Rahmenbedingungen im Markt- und Regulierungsdesign geschaffen werden, die den EE-Ausbau unterstützen und das Zusammenspiel der Systemelemente effizient organisieren. Um den Anforderungen der erneuerbaren Energien und der Transformation gerecht zu werden, entwickelte dieses Projekt einen konsistenten Synthesevorschlag für das Markt- und Regulierungsdesign für die Zeit bis 2050. Dieser sieht für den Strommarkt ein Energy-Only-Marktdesign vor, das die bestmöglichen Voraussetzungen für eine wettbewerblich organisierte Flexibilisierung des Stromsystems schafft. Flexibilitätsoptionen und die Integration des europäischen Binnenmarktes können einen wesentlichen Beitrag zur EE-Integration und zur Stabilisierung ihrer Marktwerte leisten. Letzteres unterstützt die Wirtschaftlichkeit der erneuerbaren Energien. Im EE-Fördersystem sollten die Marktwerte als zentrale Größe bei der Bestimmung der Förderhöhe und im Anreizsystem berücksichtigt werden, sodass effiziente Anreize für den Zubau und die Marktintegration gesetzt werden. Weiterentwickelte Ausschreibungssysteme auf Basis variabler bzw. gleitender Marktprämien können diese Anforderungen erfüllen. Langfristig können auch Power Purchase Agreements eine wichtige (ergänzende) Rolle für die Finanzierung der EE spielen. Ein Energy-Only-Marktdesign kann die Versorgungssicherheit effizient gewährleisten. Zur Absicherung gegen ungewisse Extremereignisse kann eine Kapazitätsreserve dienen, da sie das Anreizsystem nicht verzerrt. Quelle: Forschungsbericht
Strom aus erneuerbaren Energien ist nach heutigem Kenntnisstand der wichtigste und voraussichtlich am stärksten eingesetzte CO2-freie Energieträger in einem weitgehend dekarbonisierten Energiesystem. Sektorkopplung - die Nutzung von Strom in bislang hauptsächlich durch fossile Energieträger dominierten Bereichen - ist der Schlüssel, um Strom aus erneuerbaren Energien auch in die Sektoren Industrie, Wärme und Verkehr zu integrieren. Dieses Vorhaben untersucht, wie diese Integration erneuerbarer Energien durch Sektorkopplung im Hinblick auf den energiewirtschaftlichen Ordnungs- und Rechtsrahmen effizient ausgestaltet werden kann. Sektorkopplungstechniken sind gegenüber fossil-basierten Konkurrenztechniken heute benachteiligt, da auf Grund von staatlich induzierten Preisbestandteilen, wie Entgelte, Abgaben, Umlagen und Steuern der Wettbewerb zwischen erneuerbaren und fossilen Energieträgern verzerrt ist. Der ökologische und - auf Grund der Schadenskosten durch Klimaschäden - auch der ökonomische Nutzen von Sektorkopplungstechniken kommt nicht zur Geltung. Im Rahmen des Vorhabens werden verschiedene Reformmöglichkeiten für die Erhebung von staatlich veranlassten Preisbestandteile untersucht und in ihrer Wirkung auf die Wirtschaftlichkeit von Sektorkopplungstechniken bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Reform der heutigen Rahmenbedingungen und die Einführung einer CO2-Bepreisung bei einer Höhe von ca. 80 Euro/Tonne das Problem von Verzerrungen erheblich abbauen kann. Bei diesem Preis wird ein ausreichendes Finanzierungsvolumen in 2030 generiert, um die EEG-Umlage und die Stromsteuer zu ersetzen und Verzerrungen aus deren Fälligkeit deutlich zu reduzieren. Neben den wirtschaftlichen Effekten auf die Sektorkopplungstechniken werden auch die Verteilungswirkungen auf Sektorebene untersucht. Bei einer fehlenden oder nicht ausreichenden Internalisierung von Schadenskosten sind auch ordnungsrechtliche Instrumente geeignet, um Verzerrungen zu Ungunsten von Sektorkopplungstechniken zu beseitigen. Diese Verzerrungen verlieren ihre Wirkung, wenn ordnungsrechtliche Instrumente den Einsatz von fossil-basierten Konkurrenztechniken einschränken oder verbieten bzw. Sektorkopplungstechniken begünstigen. Zusätzlich können ordnungsrechtliche Instrumente auch weitere Hemmnisse adressieren (z.B. bei hohen Transaktionskosten oder institutionellen Aspekten wie Mieter-Vermieter-Verhältnis) und damit zu einem Abbau von Verzerrungen beitragen. Bei der Ausgestaltung von ordnungsrechtlichen Instrumenten besteht ein großer politischer Gestaltungsspielraum, der umfassendes regulatorisches Wissen erforderlich macht, um Emisssionsminderung dort anreizen bzw. vorgeben zu können, wo sie langfristig am kostengünstigsten sind. Das ist bei ihrer Einführung bzw. Fortführung zu berücksichtigen. Quelle: Forschungsbericht
Um den fossilen Energieverbrauch zu reduzieren, sind unterirdische thermische Energiespeicher (UTES), auch Geothermische Wärmespeicher (GTS) genannt, ein Baustein in der Transformation der Wärmeversorgung und Kühlung. Die Speisung solcher Speicher soll über erneuerbare Energieträger und anderweitige Abwärme erfolgen. Das Grundwasser wird dabei thermisch beeinflusst. Der thermische Auswirkungsraum von UTES wurde mit numerischen Simulationen zur saisonalen Pufferung und Wärmespeicherung, zur Gebäudeklimatisierung und zur Nutzung von Überschussstrom (Power-to-Heat) systematisch untersucht und veranschaulicht. Auswirkungen von Temperaturänderung auf hydro- und geochemische Prozesse und die Grundwasserökologie wurden unter Einbeziehung umfangreich recherchierter Fachliteratur untersucht. In sauerstoffreichen (oxischen) Süßwasser-Aquiferen im Lockergestein bedingt die hohe Temperaturempfindlichkeit der Grundwasserfauna zu ihrem vorsorglichen Schutz und zur Aufrechterhaltung ihrer Ökosystemleistungen engere Temperaturschwellen, um Auswirkungen geringfügig zu halten. Weniger restriktive Temperaturgrenzen sind für sauerstoffarme (anoxische) Aquifere ableitbar, in denen sich ein Mikrobiom flexibler an Veränderungen von Wassertemperatur und -beschaffenheit anpassen kann. Mit den abgeleiteten thermischen Geringfügigkeitsschwellen ist eine nachhaltige Bewirtschaftung des Grundwassers auch mit geothermischen Wärmespeichern möglich. Die aufgezeigten Beispiele erleichtern involvierten Planern und Fachleuten im Bereich Geologie, Hydrogeologie, Grundwasserökologie, Geothermie sowie in Behörden eine Abschätzung der thermischen Ge-ringfügigkeit. Thermische Geringfügigkeit bedeutet, dass durch die Nutzung geothermischer Speicher keine nachteiligen Umweltauswirkungen für das Grundwasser bestehen. Quelle: Forschungsbericht
Das Land Berlin und Vattenfall verfolgen ambitionierte Klimaschutzziele. Berlin will bis 2050 klimaneutral werden und die Treibhausgasemissionen in der Stadt um mindestens 95 Prozent gegenüber 1990 reduzieren. Vattenfall will innerhalb einer Generation ein Leben frei von fossilen Brennstoffen ermöglichen. Gemeinsam haben Vattenfall und das Land Berlin, vertreten durch die Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz, im Jahr 2017 die Machbarkeitsstudie „Kohleausstieg und nachhaltige Fernwärmeversorgung Berlin 2030“ auf den Weg gebracht. Das Ergebnis steht nun fest: Der Kohleausstieg in Berlin ist bis spätestens 2030 machbar. Durch den Ersatz von Steinkohle können jährlich mehr als 2 Millionen Tonnen CO 2 eingespart werden. Das entspricht rund 13 Prozent des gesamten CO 2 -Ausstoßes im Land Berlin (2016: insgesamt 16,9 Mio t). Damit würde Vattenfall den größten Einzelbeitrag auf Berlins Weg zur Klimaneutralität im Jahr 2050 leisten. Den Auftrag zur Erstellung der Studie erhielt das BET Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH aus Aachen. In einem beispielhaft transparenten und partizipativen Prozess ließen sich Politik und Vattenfall durch einen Kreis aus Vertreterinnen und Vertretern des Abgeordnetenhauses, der Berliner Stadtgesellschaft, der Wirtschaft und der Wissenschaft kritisch begleiten. Regine Günther , Senatorin für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz, erklärt zur Präsentation der Studienergebnisse: „Der Kohleausstieg bis 2030 ist für Berlin ein großer Schritt beim Klimaschutz. Da es hierbei auch um Fernwärme geht, ist der Kohleersatz eine besondere Herausforderung. Die Machbarkeitsstudie zeigt detailliert, wie Klimaschutz ganz konkret gelingen kann. Das ist außerordentlich wichtig, denn um die Erderhitzung zu begrenzen, müssen wir endlich handeln. Für die Zeit nach 2030 bleibt aber noch viel zu tun, denn auch das Erdgas muss ersetzt werden und hierfür stehen heute noch nicht alle Technologien zur Verfügung. Wir brauchen aber auch flankierende Maßnahmen auf Bundesebene – wie eine CO 2 -Bepreisung und Instrumente für eine massive Beschleunigung der Gebäudesanierung.“ Tanja Wielgoß , Vorstandsvorsitzende der Vattenfall Wärme Berlin: „Die Machbarkeitsstudie zeigt uns die Möglichkeiten auf, das Berliner Fernwärmesystem nachhaltig umzubauen und für die nachfolgenden Generationen zukunftsfähig zu machen. Mit dem Ausstieg nun auch aus der Steinkohle bis 2030 setzen wir in der größten Metropole Deutschlands ein klares Signal, wie die Klimawende nicht nur gedacht, sondern auch gemacht werden kann. Wir haben uns in den vergangenen zwei Jahren intensiven Diskussionen gestellt und viele neue Erkenntnisse gewonnen. Gleichzeitig zeigte sich auch unseren vielen Wegbegleitern, wie komplex die Umsetzung von klimapolitischen Zielen wirklich ist und an was man alles denken muss, wenn eine Transformation auch im Sinne unserer Kundinnen und Kunden ohne Brüche verlaufen soll. Ich kann einen solchen Weg der Transparenz und Partizipation nur weiterempfehlen.“ Das Fernwärmesystem – so zeigen die Ergebnisse der Studie – bietet die Möglichkeit, Wärme aus verschiedenen nachhaltigen Quellen aufzunehmen und zu verteilen: Die Nutzung und Integration klimafreundlicher Energien wie Geothermie und Biomasse sowie die Nutzung von Abwärme, die ansonsten ungenutzt in die Umwelt abgegeben würde (v. a. Abwasser oder industrielle Abwärme), tragen etwa zu 40 Prozent zum Ersatz der Kohle bei – neue hocheffiziente, modulare Gas-KWK-Konzepte bringen rund 60 Prozent. Die Einbindung von Speicherlösungen und Power-to-Heat zur Integration erneuerbaren Stroms in der Wärmeversorgung soll darüber hinaus klimaschonende Wärme für die Metropole Berlin bereitstellen. Das Gas-KWK-Konzept wird Wasserstoff-ready ausgelegt sein. Die aktuellen Heizkraftwerke Reuter West und Moabit werden so zu zukunftsfähigen Energie-Verbundstandorten entwickelt. Innerhalb von zehn Jahren wird die in verdichteten Stadtgebieten heute schon ökologisch vorteilhafte Fernwärme als Stadtwärme noch klimafreundlicher gestaltet. Der Kohleausstieg 2030 ist ein substanzieller Zwischenschritt. Aber auch nach 2030 müssen zusätzliche Potenziale zur klimaneutralen Fernwärmeerzeugung erschlossen und die Brennstoffbasis für die bis 2030 neu errichteten Gas-KWK-Anlagen so verändert werden, dass auch die Nutzung von fossilem Gas enden kann. Eine weitere Baustelle ist der aktuell wichtige Baustein der Energiegewinnung aus Abfall. Im Zero-Waste-Szenario des Landes Berlin fällt kein Abfall mehr an – auch darauf muss sich die Stadt vorbereiten. Die Politik muss nun den richtigen Rahmen setzen, um den Kohleausstieg bis spätestens 2030 zu unterstützen und die weitere Dekarbonisierung bis 2050 zu ermöglichen: Dazu zählen beispielsweise der Wegfall des Photovoltaik-Ausbaudeckels im Erneuerbare-Energien-Gesetz und verbesserte Rahmenbedingungen zum Ausbau von On-/Offshore-Wind, Instrumente zur signifikanten Reduzierung des Wärmebedarfs in Neubau und Bestandsbauten, Anreize zur Erhöhung der Sanierungsraten, eine wirksame CO 2 -Bepreisung im Wärme- und Verkehrssektor für einen ökologisch fairen Wettbewerb im Wärmemarkt, die Verlängerung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes (KWKG) inklusive Kohleumstiegsbonus bis 2030 sowie ein Basisförderprogramm Fernwärmeinfrastruktur zur Nutzung erneuerbarer Wärme.
Wir beschäftigen uns mit der Frage, wie viel konventionelle Kraftwerkskapazität durch dargebotsabhängige erneuerbare Energien bei gleichbleibender Lastdeckungswahrscheinlichkeit eingespart werden können. Der Kapazitätskredit ist ein Indikator für diese Substitutionsbeziehung. Unsere Analysen konzentrieren sich auf den Kapazitätskredit von Windenergie und Photovoltaik und damit auf die beiden bedeutendsten dargebotsabhängigen EE-Technologien. Wir entwickeln dafür bestehende Methoden weiter, um insbesondere räumliche Durchmischungseffekte im europäischen Binnenmarkt unter Berücksichtigung begrenzter Netzkapazitäten sowie dynamische Anpassungsprozesse konventioneller Kapazitäten erfassen zu können. Die durchgeführten Analysen zeigen, wie anhand der weiterentwickelten Methode und auf Basis einer umfangreichen Datengrundlage aus zehn historischen Wetterjahren der Kapazitätskredit der erneuerbaren Energien unter Berücksichtigung der wetterabhängigen, stochastischen Eigenschaften der Last und der Einspeisung erneuerbarer Energien und unter Unsicherheit über Kraftwerksausfälle berechnet werden kann, sowohl bei engpassfreien als auch bei begrenztem internationalen Austausch und bei einer dynamischen Anpassung der konventionellen Kraft-werksleistung an die EE-Durchdringung. Wir berechnen den Kapazitätskredit für insgesamt 15 Szenarien, in denen wir u. a. die EE-Technologien, ihre räumliche Verteilung und die europäischen Interkonnektorkapazitäten variieren. Quelle: Forschungsbericht
Dieses Dokument enthält Anhänge zum Hauptbericht des UBA-Vorhabens "Effiziente Ausgestaltung der Integration Erneuerbarer Energien durch Sektorkopplung" (FKZ 3714411071). Die Anhänge dokumentieren Teilergebnisse und Zwischenstände des Erkenntnisprozesses aus den verschiedenen Arbeitspaketen innerhalb des Projekts. Sie besitzen zum Teil "Werkstattcharakter". Die erzielten Ergebnisse waren eine wichtige Grundlage für die weiteren Arbeitspaketen, in denen aber auch weiterer Erkenntnisgewinn erzielt wurde. Erkenntnisse, die sich in den Anhängen niederschlagen, wurden durch neue Erkenntnisse in folgenden Arbeitspaketen nicht widerlegt, aber vor allem weiterentwickelt. Die einzelnen Anhänge sind als separate Kapitel in diesem Dokument zusammengefügt. Enthalten sind: - Ergebnisbericht zu Arbeitspaket 1: "Heutige regulatorische Rahmenbedingungen" - Konzeptstudie (Arbeitspaket 2): "Zielmodellen eines Ordnungsrahmens für Sektorkopplung" - Teilbericht zu Arbeitspaket 4: "Untersuchungen zu netzbezogenen Instrumenten" - Untersuchungsergebnis aus Arbeitspaket 3: "Überschlagsrechnungen zur Entwicklung des Fi-nanzierungsaufkommens aus einer CO2-Bepreisung" Quelle: Forschungsbericht
Das Projekt "Virtuelles Institut NRW: Strom zu Gas und Wärme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. durchgeführt. Die Transformation der deutschen Energieversorgung im Rahmen der Energiewende stellt eine enorme Herausforderung dar. Oberstes Ziel ist der Klimaschutz bei gleichzeitiger Sicherstellung der Versorgungssicherheit durch bezahlbare technische Lösungen, die die volatilen erneuerbaren Energien sicher in die Netze integrieren. Um diese Ziele erreichen zu können sind verschiedene Lösungsansätze notwendig, die sowohl einer Flexibilisierung auf Seiten der Erzeuger als auch der Verbraucher bedürfen. Eine verstärkte Kopplung der verschiedenen Sektoren, wie z.B. Strom, Gas und Wärme, Industrie oder Mobilität, rückt dabei immer weiter in den Fokus der Forschung. Eine zunehmende Bedeutung haben dabei Flexibilitätsoptionen, wie zum Beispiel Demand-Side-Management (DSM), Power-to-Heat (PtH), Power-to-Gas (PtG) oder auch die Erzeugung von chemischen Produkten (PtC) oder Kraftstoffen (PtF) aus Überschussstrom. Gemeinsam wird diese vielseitige Technologiefamilie häufig als Power-to-X abgekürzt. Das Virtuelle Institut 'Strom zu Gas und Wärme' untersucht im Auftrag der nordrhein-westfälischen Landesregierung die Integration dieser Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund des Energiemarktes, der Netzstabilität und des zunehmend zusammenwachsenden Gesamtsystems und leitet daraus Handlungsempfehlungen für Wissenschaft, Wirtschaft und Industrie ab.
Das Projekt "Teilvorhaben: Power-To-Heat DEW21 (D2)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW) durchgeführt. Ziel des Demonstrators ist die gekoppelte Steuerung von dezentralen Wärmeeinspeisern, Grundlastversorgern in Verbindung mit einer Power-to-Heat-Anlage. Der Demonstrator bietet die Möglichkeit Erfahrung über die Einbindung von Bestandsanlagen in Kombination mit netzdienlichen Komponenten zu sammeln. Darüber hinaus können Erfahrungen über die Abschwächung von Einspeisespitzen aufgezeigt werden. Weiterhin können stromnetzseitige und energiewirtschaftliche entstehende Effekte analysiert und neue Perspektiven gewonnen werden. Der Gesamtnutzen liegt in der Vermeidung der Abregelung von Erneuerbaren Energien bedingt durch regionale Netzengpässe und der gleichzeitigen wärmeseitigen CO2-Vermeidung bei Nutzung von regenerativ erzeugten Strom.
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