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: [email protected]
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1 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004 Langfristige Auswirkungen von sich verändernden Stromkosten auf eine dezentrale Energieversorgung in.
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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
Die hohe Energiedichte hebt urbane Regionen besonders hervor Optimierung dieser Systeme ist Chance und Herausforderung zugleich
Lumineszenz Energieverbrauch
3 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
1. Einleitung
2. Methodisches Vorgehen
3. Fallbeispiel Augsburg
4. Diskussion der Ergebnisse
Inhalt
4 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
• Abbildung des Ist-Systems einer Stadt als RReferenzEEnergieSSystem (RESRES)
• Ermittlung zukünftiger, ooptimierter EEnergieSSysteme (OESOES), 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 =
Die Methode URBSURBS wurde entwickelt, um urbane Energiesysteme integralbeschrieben und für die Zukunft optimieren zu können.
UUrban RResearch Toolbbox: Energy SSystems
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
…Woh
nrau
m u
nd
Geb
äude
Energie-
struktur
Wirtschafts-struktur
Bevölk
erun
g
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Erwer
bs-
struk
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Bevölk
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Besch
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gte
… Raum-wärme
Prozess-wärme
…
Wärme
Str
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ht
Referenz- energie-
system (RES)
optimiertes
Energie-
system(OES)
Verfü
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Techn
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ade
atmosphä-rische
Dispersion
lokale
Energ
ie-
ress
ourc
en
Abfallströme
Hyd
rosp
häre
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
EnergietechnikmodulUnter 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.
EnergienachfragemodulBasierend 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
EnergietechnikmodulUnter 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.
EnergienachfragemodulBasierend 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 2004
1. Einleitung
2. Methodisches Vorgehen
3. Fallbeispiel Augsburg
4. Diskussion der Ergebnisse
8 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
räumliche Darstellung des Ist-Endenergiebedarfs
Kartographie: Stephan Richter, Dez. 02Quellen:Digitale Karte: Stadt AugsburgSachdaten: eigene Berechnungen
10 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
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.
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
18 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
OES 2025 – sortierte Jahresdauerlinien
Kostenoptimierung CO2-Optimierung
Verbundnetz Verbundnetz
19 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
Kosten für Verbundnetz = s · Kosten Basis-OES2
1s
4
3s
4
1s
8
1s
Kosten für Verbundnetz = s · Kosten Basis-OES2
1s
4
3s
4
1s
8
1s
OES 2025 – Sensitivität bzgl. Stromkosten
VerbundnetzVerbundnetz
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Gegenüberstellung der Energiesysteme – Emissionen
21 Stephan Richter – Physikertagung, 25. März 2004
Gegenüberstellung der Energiesysteme – Kosten
Dargestellt sind die Gesamtkosten, die relativ zu RES1 object aufzubringen sind, um ein System umzuformen und ein Jahr zu betreiben.
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+ 8 0 0- 6 2 0 0
- 2 6 0 0- 5 8 0 0
- 5 7 0 0- 4 9 0 0
- 3 0 0 0- 3 3 0 0
+ 7 0 0- 2 8 0 0
+ 4 0 0 0- 2 4 0 0
+ 3 8 0 0- 3 0 0
+ 1 7 0 0+ 2 3 0 0
+ 2 8 0 0+ 4 4 0 0
+ 6 0 0+ 4 8 0 0
+ 1 5 0 0+ 4 3 0 0
+ 8 0 0+ 1 4 0 0
- 1 1 0 0- 2 1 0 0
- 2 6 0 0- 1 1 0 0
- 1 9 0 0- 3 0 0
- 2 9 0 0+ 1 9 0 0
- 1 9 0 0+ 1 0 0 0
- 2 9 0 0+ 3 7 0 0
- 1 1 0 0+ 2 3 0 0
M C
M VG T
K W +S F
H W
0- 4 6 0 0M o n i t o r
+ 2 8 5 0+ 4 3 5 0
1 . 1 1 8 4 %
6 . 9 4 6 8 % 6 . 0 9 1 2 %
3 . 7 0 0 9 %
4 . 2 0 8 0 %
2 . 1 3 5 1 %
5 . 6 8 8 8 %
7 . 0 0 3 7 %
1 6 . 8 4 4 3 %
0 . 0 4 9 3 %
3 . 7 9 6 3 %
4 . 6 5 6 2 %
2 3 . 5 8 9 7 %
4 . 0 5 4 6 %
1 0 . 1 1 6 7 %
Berechnung von Luftschadstoffausbreitungen
21 Punktquellen für Emissionen im Stadtgebiet
Monitorstation
Rechengitter
• (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
Rahmenbedingung der atmosphärischen
Ausbreitungsrechnungen
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Vergleich der Luftschadstoffbelastungen
RES1OES251
RES3
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1. Einleitung
2. Methodisches Vorgehen
3. Fallbeispiel Augsburg
4. Diskussion der Ergebnisse
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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!
Die Anwendung von URBS auf Augsburg zeigt, dass URBSURBS 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, 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).
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