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11.06.2012 / 1
Energiespeicher für die Energiewende
Speichereinsatz und Auswirkungen auf das
Übertragungsnetz
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11.06.2012 / 2
Fragestellung der Studie
Zukünftiger Ausgleich zwischen Verbrauch und volatiler EE-ErzeugungKurzzeitspeicher (< 24 h)Langzeitspeicher (> 24 h)Flexible KraftwerkeFlexible EE-Erzeugung (Abregeln)
Auswirkungen auf den Netzausbau
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11.06.2012 / 3
Methodisches Vorgehen
Variante A: Kraftwerke,EE-Abregelung
Variante B: Kraftwerke, Kurzzeitspeicher (Vollzubau)
Variante C: Kraftwerke, Langzeitspeichern (Vollzubau)
Variante D: Kraftwerke,Kurz- und Langzeitspeicher (Vollzubau).
Variante E: Kraftwerke,Kurz- und Langzeitspeichern (50%-Ausbau)
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11.06.2012 / 4
Erkenntnis 1Die Anlagen im Stromsystem müssen flexibler eingesetzt werden.
Steigender Flexibilitätsbedarf im Kurzzeit- und LangzeitbereichIn allen Varianten konnte der Flexibilitätsbedarf befriedigt werden.
‐80
‐60
‐40
‐20
0
20
40
60
80
100
120
140
160LastEE‐ErzeugungResiduallast
GW
Wochen
Abbildung 4.1: Jahresganglinie von Last, EE-Erzeugung und Residuallast im 80%-Szenario
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11.06.2012 / 5
Erkenntnis 2Bis zu einem EE-Anteil von 40% können auch Kraftwerke und eine geringe Abregelung der EE-Einspeisung den variablen Verbrauch und die schwankende Erzeugung effizient ausgleichen.
Abbildung 4.2: Stromgestehungskosten für verschiedene Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
A B C D E
VariableStromgestehungskosten
Investitionskosten Speicher
Investitionskosten Kraftwerke
79€/MWh
€/MWh
83€/MWh
87€/MWh
89€/MWh
84€/MWh
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11.06.2012 / 6
Erkenntnis 3Speicher werden bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt.
Bei EE-Anteil von 40% nur wenige Stunden mit ErzeugungsüberschussSpeicher dienen dann überwiegend der Einsatzoptimierung der Kraftwerke (klassische Speicherfunktion).
Abbildung 4.3: Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40%
‐6
‐4
‐2
0
2
4
6
8
10
B C D E
nicht abgeregelte EE
Biomasse KWK
KWK
Erdgas, Erdöl
Steinkohle
Braunkohle
TWh
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11.06.2012 / 7
Erkenntnis 4Eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen ist empfehlenswert (bei EE-Anteilen über 40%).
Im 80%-Szenario Zubau von 14 GW bzw. 70 GWh (5 Stunden)an Kurzzeitspeichern und ca. 18 GW bzw. 7,5 TWh (17 Tage)sowie EE-Abregelung weniger als 1 % sinnvoll (Variante E)Ohne Speicher im 80%-Szenario EE-Abregelung von 7% erforderlich, dann aber 80%-Ziel nicht erreichtAnnuitätische Investitionskosten des Speicherparks im 80%-Szenarioca. 3 Mrd. €/a (Variante E)
Abbildung: Dauerlinien der Ein- und Ausspeicherung; Variante D, 80%-Szenario
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11.06.2012 / 8
Erkenntnis 5
Speicher sollen nach Energiemengen und nicht nach Leistungsspitzen ausgelegt werden.
Abregeln der seltenen, aber großen EE-Leistungsspitzen grundsätzlich wirtschaftlicher als Speicherauslegung auf diese großen Leistungswerte
Tabelle 4.1: Vergleich der verschiedenen Speicherausbaugrade für das 80%-Szenario; Abregelung ohne Betrachtung von Netzengpässen und Netzbetrieb
reduzierter Speicherpark
(Variante E) Speicher für volle Nutzung
der EE (Variante D)
Kurzzeitspeicher (Lade- / Entladeleistung / Energie)
14 GW / 14 GW / 70 GWh 28 GW / 26 GW / 140 GWh
Langzeitspeicher
(Lade- / Entladeleistung / Energie) 18 GW / 18 GW / 7 TWh 36 GW / 29 GW / 8 TWh
abgeregelte erneuerbare Energiemenge aus Windenergie- und PV-Anlagen
0,4 TWh/a 0 TWh/a
annuitätische Investitionskosten der Speicher
3 Mrd. €/a 5,1 Mrd. €/a
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11.06.2012 / 9
Erkenntnis 6
Kurz- und Langzeitspeicher dienen bei einem EE-Anteil von 80% dem Klimaschutz.
Bei EE-Anteil von 40% dienen Speicher nicht dem Klimaschutz(Flexibilität steigert Braunkohle-Grundlast).Bei EE-Anteil von 80% substituiert eingespeicherte EE-Erzeugung Stromerzeugung aus fossilem Gas.
Abbildung 4.6: Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 80%
‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
40
B C D E
nicht abgeregelte EE
Biomasse KWK
KWK
Erdgas, Erdöl
Steinkohle
TWh
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11.06.2012 / 10
Erkenntnis 7
Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mitSpeichereinsatz nur um ca. 10% bis 2050.
Abbildung 4.7: Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen
0
20
40
60
80
100
120
2010 40%‐A 80%‐E
Variable Stromgestehungskosten
Investitionskosten Speicher
Investitionskosten Kraftwerke
78€/MWh
79€/MWh
84€/MWh
€/MWh
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11.06.2012 / 11
Erkenntnis 8Bei einer Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% verdreifacht sich der Speicherbedarf.
Die letzte Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% ist teurer als die Steigerung des EE-Anteils von 17% auf 80%.
Abbildung 4.7: Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen
0
20
40
60
80
100
120
2010 40%‐A 80%‐E 100%‐D
Variable Stromgestehungskosten
Investitionskosten Speicher
Investitionskosten Kraftwerke
78€/MWh
79€/MWh
84€/MWh
100 €/MWh
€/MWh
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11.06.2012 / 12
Erkenntnis 9Kraftwerke und Langzeitspeicher sorgen auch zukünftig für Versorgungssicherheit.
Bis EE-Anteil von 80% ist die installierte Leistung der Erzeugungsanlagen (Kraftwerke, KWK) stets in der Größenordnung der Spitzenlast.
Abbildung 4.8: Notwendige Kraftwerkskapazitäten mit hoher Verfügbarkeit bei verschiedenen Speicherzubauvarianten und verschiedenen EE-Anteilen
0
20
40
60
80
100
120
140
2010 40%‐A 40%‐B 40%‐C 40%‐D 40%‐E 80%‐A 80%‐B 80%‐C 80%‐D 80%‐E 100%
Wasserkraft
Geothermie
Biomasse‐KWK
KWK
Gas (Langzeitspeicher)
Gas (Fossil)
Steinkohle
Braunkohle
Kernenergie
GW
118,7GW
95,7GW
95,4GW
110,9GW
107,8GW
99,7GW
95,7GW
93,5GW
100,7GW
99,2GW
93,1GW
77,8GW
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11.06.2012 / 13
Erkenntnis 10Speicher entlasten Übertragungsnetze ohne Beachtung des Netzbetriebes kaum.
Abbildung 4.9: Erwartungswerte der höchsten Betriebsmittelauslastungen im Vergleich
25 %
30 %
35 %
40 %
45 %
50 %
55 %
A E_Last E_EE D_Last D_EE25 %
30 %
35 %
40 %
45 %
50 %
55 %
A E_Last E_EE D_Last D_EE
40 %-Szenario 80 %-Szenario
Erw
artu
ngsw
erte
der
höc
hste
n A
usla
stun
gen
Erw
artu
ngsw
erte
der
höc
hste
n A
usla
stun
gen
Grundlastfluss(n-1)-Ausfallrechnung
Netzmodell 1Netzmodell 2Netzmodell 2 (modifiziert)Netzmodell 3Netzmodell 4
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11.06.2012 / 14
Erkenntnis 11Keine Präferenz für last- oder erzeugungsnahe Speicherallokation
Anzahl unzulässigerSystemzustände
je Bereich gesamt
I II IIIA 15 9 57 594ELast 8 29 26 572EEE 0 21 34 565DLast 9 28 21 579DEE 0 18 29 558
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
35 45 55 65 75 85 95
EE
I II
III
EE
-Ein
spei
sung
[%
]
Netzlast [%]
unzulässiger Betriebszustandzulässiger Betriebszustand
Tabelle 4.3: Unzulässige Systemzustände je Bereich im 40%-Szenario, Netzmodell 2, alle Speichervarianten
Abbildung 4.10: Systemzustände im 40%-Szenario, Netzmodell 2, Speichervariante D
EE, (n-1)
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11.06.2012 / 15
Handlungsempfehlungen und Ausblick
HandlungsempfehlungenSpeicherzubau erst ab EE-Anteilen ab 40% erforderlich. Zeitfenster bis 2025 nutzen zu Forschung und Entwicklung.Masterplan für Markteinführung heute, damit erforderlicher Speicherzubau 2025 - 2050 rechtzeitig erfolgt.
Ausblick auf weiteren ForschungsbedarfWechselwirkungen Speicher und Netz(Netzsicherheit, Netzausbau, Systemdienstleistungen)VersorgungssicherheitSpartenübergreifende Optimierung (Strom, Gas, Verkehr, Wärme)Marktdesign und Netzregulierung für System mit hohem Anteil erneuerbarer Erzeugung und Speicher