Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching WissenschaftsZentrumUmwelt, U Augsburg

1. 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: Stephan.Richter@gef.de

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

3. Inhalt • Einleitung • Methodisches Vorgehen • Fallbeispiel Augsburg • Diskussion der Ergebnisse

4. Aufgabenplan von URBS • Abbildung des Ist-Systems einer Stadt als ReferenzEnergieSystem (RES) • Ermittlung 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 Um Energiesysteme integral betrachten zu können, müssen die zahlreichen Einflussgrößen auf diese urbanen Energiesysteme berücksichtigt werden! 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. Urban Research Toolbox: Energy Systems Einsatz der Methode URBS = Die Methode URBS wurde entwickelt, um urbane Energiesysteme integral beschrieben und für die Zukunft optimieren zu können.

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

6. Die Module von URBS • 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 • 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 Energienachfragemodul Basierend auf dem Stadtentwicklungs-modul werden zeitlich hoch aufgelöste Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die Projektionsjahre generiert (Elektrizität, NT-Wärme, …) Energienachfragemodul Basierend auf dem Stadtentwicklungs-modul werden zeitlich hoch aufgelöste Nachfragezeitreihen/Lastkurven für die Projektionsjahre generiert (Elektrizität, NT-Wärme, …) 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. 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. • 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 • 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

7. Einleitung • Methodisches Vorgehen • Fallbeispiel Augsburg • Diskussion der Ergebnisse

8. räumliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs

9. NT-Wärmenachfrage in MW Stromnachfrage in MW Stunden Stunden zeitliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs Lastgänge der Endenergienachfrage im RES Elektrizität NT-Wärme

10. Projektion der Stadtentwicklung Ergebnisse: Eine Vielzahl von kumulierten Endenergienachfragemengen für die Jahre 2015 und 2025. Davon werden je drei ausgewählt: Die beiden Extrema (gering und stark) und ein mittleres Szenario. 20152025 gering = 4.074 TWh gering = 3.559 TWh mittel = 4.639 TWh mittel = 4.489 TWh stark = 5.412 TWh stark = 5.409 TWh RES = 4.092 TWh Diese kumulierten OES-Endenergiemengen werden mithilfe des Energienachfragemoduls in stündlich aufgelöste Zeitreihen aufgeteilt, deren Verlauf proportional zu den RES-Zeitreihen ist.

11. Verbundnetz Gasturbinen-KW 100% der gesamten Stromnachfrage Dampfturbinen-KW MVA 42.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (konventionelle Gasheizungen) RES1mit, RES2ohne Gasturbinen-Kraftwerk 7.5% der gesamten NT-Wärmenachfrage (Gas-Brennwertheizungen) 20% der gesamten NT-Wärmenachfrage (Fernwärme) 15% der gesamten NT-Wärmenachfrage (ältere Ölheizungen) 14% der gesamten NT-Wärmenachfrage (neuere Ölheizungen) 1% der gesamten NT-Wärmenachfrage (sonstige) Referenzenergiesysteme: RES1 und RES2 – Modell Elektrizität

12. Eigenanteil der StaWA an der Stromproduktion nach Inbetrieb-nahme des Gasturbinen-KW >20% RES1cost ~25% CO2-Emissionen in Augsburg (ohne Verkehr) gemäß ifeu (2003): 1990: 2 022 115 t 1996: 1 939 328 t 2001: 2 216 250 t Berechnete Gesamtkapazitäten im Hausbrand = 961 MW; nach Statistik: [914; 1580] MW RES1 und RES2 – Jahresummen der Energieproduktion

13. GuD-KW KWK-Gasturbinen MVA Gas-BW-Heizung Gas-BW-Heizung Gas-BW-Heizung Gas-BW-Heizung Gas-BW-Heizung RES3 – Modell • RES3 = 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

14. RES3 – Jahressummen der Energieproduktion CO2-Emissionen [1.20; 1.88] Mt p.a.

15. Photovoltaik MCFC RES-Anlagen zentrale KWK Gas-BHKW rot = neue Technik PEMFC Biogas-BHKW MCFC zentrale KWK RES-Anlagen Spitzenlast Spitzenlast Solarkollektor Erdwärmepumpe Holzhackschnitzel Speicher PEMFC Gas-BHKW Gas-BW Biogas-BHKW Pellets Spitzenlast Technik RES OES 2025 Erdwärmepumpe

16. OES 2025 – Jahressummen der Energieproduktion

17. OES 2025 – Monatssummen der Energieproduktion Kostenoptimierung CO2-Optimierung

18. Verbundnetz Verbundnetz OES 2025 – sortierte Jahresdauerlinien Kostenoptimierung CO2-Optimierung

19. Verbundnetz Verbundnetz Kosten für Verbundnetz = s· Kosten Basis-OES Kosten für Verbundnetz = s· Kosten Basis-OES OES 2025 – Sensitivität bzgl. Stromkosten

20. Gegenüberstellung der Energiesysteme – Emissionen

21. Gegenüberstellung der Energiesysteme – Kosten Dargestellt sind die Gesamtkosten, die relativ zu RES1object aufzubringen sind, um ein System umzuformen und ein Jahr zu betreiben.

22. Berechnung von Luftschadstoffausbreitungen 21 Punktquellen für Emissionen im Stadtgebiet Monitorstation Rechengitter Rahmenbedingung der atmosphärischen Ausbreitungsrechnungen • (12.5 x 15) km² Rechengitter mit • 75 000 Zellen, Gitterkonstante = 50m • 3 Schadstoffe: NO2, SO2, PM • Emissionszeitreihen aus der Optimierung • original Windfeld vom DWD (Messstation Flughafen Augsburg) • BLV digitales Geländemodell • ohne Vorbelastungen • Emissionsfaktoren aus GEMIS 4.13

23. Vergleich der Luftschadstoffbelastungen OES251 RES1 RES3

24. Einleitung • Methodisches Vorgehen • 3. Fallbeispiel Augsburg • 4. Diskussion der Ergebnisse

25. Diskussion der Ergebnisse 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. Anteil der dezentrale KWK an der gesamten NT-Wärmeversorung bis 2015 < 10%; bis 2025etwa 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! Betrachtung der Luftschadstoffbelastung favorisiert bei dezentralen Syste-men BZ wegen inhärent geringen Emissionen gegenüber konventionellen KWK-Techniken. Zentrale Einheiten sind aber insgesamt bzgl. Kosten, CO2-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).