Fachbereichstag des FB DCSM am Optimierung der Stromversorgung bei hohen Windenergieanteilen

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1 Prof. Dr. Lorenz JARASS, M.S. (Stanford. Univ. / USA) FB DCSM - Business Administration L:\009\Energie\FB-Tag DCSM, , Folien, v.0.doc Wiesbaden,. September 009 Fachbereichstag des FB DCSM am Optimierung der Stromversorgung bei hohen Windenergieanteilen 7 Hochschule RheinMain, DCSM - Business Administration, Kurt-Schumacher-Ring, D - 97 Wiesbaden T. 0 / 99-0, lorenzjosef.jarass@hs-rm.de,

2 7 Die Forschungsarbeiten wurden zusammen mit Prof. Dr. G.M. OBERMAIR, Universität Regensburg und Staatssekretär a.d. W. VOIGT, Kiel durchgeführt. Die Ergebnisse sind mittlerweile auch als wissenschaftliches Fachbuch verfügbar: Jarass/Obermair/Voigt: Windenergie - Zuverlässige Integration in die Energieversorgung. Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, Juni 009. Seite von 7

3 Gliederung System von Stromnachfrage und Stromerzeugung..... Ausgangssituation: Installierte Leistung und Stromerzeugung Zielvorgaben der Bundesregierung für die deutsche Kraftwerksstruktur ab Ausgleich von Stromangebot und Stromnachfrage bei hohen Windenergieanteilen..... Schwankungen von Stromangebot und von Stromnachfrage..... Ausgleich von Windenergieschwankungen..... Speicher für elektrische Energie.... Entwicklung des Kraftwerkssystems bei über 0 GW Windleistung Nachfragedeckung bei hohem Windenergieanteil: Welche konventionellen Kraftwerke werden zukünftig noch gebraucht? Windenergieanlagen versus Grundlastkraftwerke: ein Entweder-Oder.... Zusammenfassung... Seite von 7

4 . System von Stromnachfrage und Stromerzeugung.. Ausgangssituation: Installierte Leistung und Stromerzeugung 007 Tab.. zeigt einen Vergleich der jeweiligen Anteile an der installierten Nennleistung (GW) und an der jeweils erzeugten Energie (TWh) für 007. Seite von 7

5 Tabelle. : Anteile einzelner Energieträger 007 () () Installierte Stromer- Leistung zeugung () Kernenergie % % () Fossile Energieträger % 0% (.) Braunkohle,%,7% (.) Steinkohle 0,0%,% (.) Mineralöl,%,% (.) Gase,%,% () Erneuerbare Energieträger % % (.) Wind,%,% (.) Sonne,7% 0,% (.) Wasser (inkl. Pumpsp.) 7,%,% (.) Biomasse,%,% (.) Müll,0%,% (.) Sonstige in Z.. enthalten,% () Gesamt 00% 00% Seite von 7

6 Abbildung. : Tagesgang der Stromnachfrage Beispiel E.ON-Regelzone 007 a) Werktag, Winter b) Wochenende, Sommer [GW] [GW] Spitzenlast 0 Mittellast 0 Spitzenlast Grundlast Mittellast Grundlast Uhrzeit Uhrzeit Seite von 7

7 Abbildung. : Jahresgang der Stromnachfrage Beispiel E.ON-Regelzone 007 a) Januar bis Juni 007 [GW] Tagesmaximum 0 Tagesminimum Seite 7 von 7

8 Abbildung. : Jahresgang der Stromnachfrage Beispiel E.ON-Regelzone 007 b) Juli bis Dezember 007 [GW] Tagesmaximum 0 Tagesminimum Seite von 7

9 .. Zielvorgaben der Bundesregierung für die deutsche Kraftwerksstruktur ab 00 Seite 9 von 7

10 Abbildung. : Installierte Leistungen zur Stromerzeugung für Deutschland 00 [GW] Import Erneuerbare Sonstige Erneuerbare Windenergie Kohle/Gas - KWK Erdgas/Öl - Kondensation Steinkohle - Kondensation Braunkohle - Kondensation Kernenergie Seite 0 von 7

11 7 9 0 Tabelle. : Außerbetriebnahme von Kernkraftwerken in Deutschland bis zum Jahr 0 Biblis A 00 Grohnde 0 Brunsbüttel 009 Gundremmingen B 0 Neckarwestheim 009 Philippsburg 0 Isar 0 Brokdorf 09 Biblis B 0 Isar 09 Philippsburg 0 Gundremmingen C 00 Unterweser 0 Neckarwestheim 0 Grafenrheinfeld 0 Emsland 0 Krümmel 0 Biblis A und Brunsbüttel haben wegen einer Vielzahl von Störfällen in 007/00 und dadurch bedingten Stillständen noch Restlaufzeiten bis 009/00. Seite von 7

12 Ausgleich von Stromangebot und Stromnachfrage bei hohen Windenergieanteilen.. Schwankungen von Stromangebot und von Stromnachfrage Das Angebot von elektrischer Energie im Verbundnetz unterliegt schon heute, mehr noch bei massiv erhöhtem Anteil von erneuerbarer Energie sehr starken Schwankungen: Die größte nicht prognostizierbare Schwankung besteht im ungeplanten Ausfall eines Großkraftwerks der Grundlastversorgung, ein Abfall von bis zu, GW innerhalb weniger Sekunden. Schwankungen der Windenergierzeugung, verursacht von großräumigen Flauten und großräumigen Starkwindfronten erreichen in ihrer Amplitude bis etwa die Hälfte der insgesamt in einer Regelzone installierten Windleistung, also in 00 schon bis zu etwa GW, die allerdings, im Gegensatz zu den ungeplanten Ausfällen eines Kraftwerks, für einige Stunden bis zu etwa einem Tag ziemlich genau prognostizierbar und damit einplanbar sind. Auch die Stromnachfrage weist starke zeitliche Variationen im Tages-, Wochen- und Jahresrhythmus auf, vgl. Abb... Aufgrund langjähriger, gesicherter Erfahrungswerte sind diese Variationen jedoch im Gegensatz zum Windenergieaufkommen relativ genau prognostizierbar. Seite von 7

13 7 9.. Ausgleich von Windenergieschwankungen Die Energieerzeugung nicht etwa nur einzelner Windenergieanlagen, sondern aller in eine Regelzone des Netzes (etwa die Vattenfall-Regelzone, die die neuen Bundesländer umfasst) einspeisenden Windparks ist zwar im Minuten- und Stundenbereich durch die Zusammenschaltung vergleichmäßigt, steigt aber häufig von Tag zu Tag rasch von geringen Werten auf hohe Werte, etwa bis zur halben insgesamt installierten Windleistung; Werte darüber werden nur in Ausnahmefällen erreicht, um dann innerhalb weniger Stunden wieder auf deutlich geringere Werte zu sinken, vgl. Abb... Diese für Nordeuropa charakteristischen Schwankungen entstehen beim Durchzug großräumiger Wetterfronten. Seite von 7

14 Abbildung. : Stündliche Mittelwerte aller deutschen Windkraftwerke Beispiel Mai 00 [GW],0,,0,,0 0, 0,0 09. Mai 0. Mai. Mai. Mai. Mai. Mai. Mai. Mai Seite von 7

15 Tabelle. : Schwankungen des natürlichen Windenergieangebots und Maßnahmen zum Ausgleich () Kurzfristige Schwankungen: Sekunden bis Minuten Automatischer Ausgleich kleinerer Schwankungen durch Spannungsänderung im Netz; Schwungradeffekt der Einzelanlage; Zusammenschaltung von vielen Einzelanlagen zu Windparks oder Gruppen von Windparks. () Mittelfristige Schwankungen: Stunden bis zu Tag Windangebotsschwankungen in einer gesamten Regelzone mitteln sich für mehrere Stunden teilweise gegenseitig aus; Windangebot ist für maximal Tag noch annähernd prognostizierbar; für die verbleibenden Schwankungen müssen Regelkraftwerke eingesetzt werden, wofür Bereitstellungskosten für potenziell notwendige Regelenergie anfallen. () Langfristige Schwankungen: Mehrere Tage bis Wochen Großräumige Starkwind- und Flautenfronten kaum prognostizierbar; erheblicher Aufwand für Reserveenergie. () Sehr langfristige Schwankungen: Monate und Jahre Schwankungen von Monat zu Monat und von Jahr zu Jahr; erheblicher Aufwand für Reserveenergie. Seite von 7

16 Speicher für elektrische Energie Speicher für elektrische Energie sind sehr teuer und deshalb, wenn überhaupt, nur bei hohen Benutzungsdauern wirtschaftlich, zudem gehen zwischen 0% und 0% des eingespeicherten Stroms durch physikalisch bedingte Umwandlungsverluste verloren. Im großtechnischen Einsatz werden als Speicher für elektrische Energie fast ausschließlich hydraulische Pumpspeicher genutzt. Als Batteriespeicher stand bis vor Kurzem nur der althergebrachte Bleiakkumulator zur Verfügung, der in jedem Automobil seine Dienste tut, aber im elektrischen Energieversorgungssektor wegen hoher Kosten und hohem Wartungsaufwand nur für kleine Anlagen im reinen Inselbetrieb Anwendung findet, z.b. auf Berghütten, dort neuerdings häufig in Kombination mit fotovoltaischen Anlagen. Erst in jüngster Zeit beginnt sich das zu ändern mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, die zunächst in Laptops und Handys Verwendung fand, nun aber in den ersten Großserien von Hybrid- Automobilen ihre Dienste tut. Große Flotten von Hybrid-Automobilen könnten zukünftig eine Rolle als Stromspeicher spielen. Allerdings gibt es nach wie vor keine langlebigen Batterien mit ausreichend hoher Kapazität. Der Toyota Prius z.b. hat nur eine Batteriekapazität von, kwh für den Ausgleich kurzzeitiger Leistungsüberschüsse und kann rein elektrisch nur km weit fahren. 7 Seite von 7

17 . Entwicklung des Kraftwerkssystems bei über 0 GW Windleistung.. Nachfragedeckung bei hohem Windenergieanteil: Welche konventionellen Kraftwerke werden zukünftig noch gebraucht? Seite 7 von 7

18 Abbildung. : Windenergieeinspeisung als Prozentsatz der Netzhöchstlast in der E.ON-Regelzone in 00, gemittelt über Stunde Windenergieeinspeisung pro Netzhöchstlast [%] Seite von 7

19 Abbildung. : Windenergieeinspeisung und Nachfrage in der E.ON-Regelzone am Extremtag. Januar 007, viertelstündliche Werte [GW] 0 Stromnachfrage Stromproduktion aus Wind Stromnachfrage minus Wind Uhrzeit - Seite 9 von 7

20 Abbildung. : Tagesgang der Stromnachfrage und ihre Deckung ohne und mit Windenergie a) Vor 000, b) 00 c) 00, nach Abzug von Wind ohne Wind guter Windtag noch benötigte Kraftwerksleistung Stromnachfrage Stromnachfrage Stromproduktion aus Wind Stromnachfrage minus Wind Stromnachfrage minus Wind Spitzenlast Mittellast Grundlast Windenergie Mittellast Spitzenlast Mittellast Grundlast Uhrzeit Uhrzeit Uhrzeit Seite 0 von 7

21 .. Windenergieanlagen versus Grundlastkraftwerke: ein Entweder-Oder Seite von 7

22 Abbildung. : Jahresgang der Stromnachfrage und der Windenergieproduktion a) E.ON 007 b) Projektion 00: Windenergieproduktion verdreifacht [GW] Stromnachfrage Stromnachfrage minus Wind Stromproduktion aus Wind [GW] Stromnachfrage Stromnachfrage minus Wind Stromproduktion aus Wind Monat Monat Seite von 7

23 Abbildung. : Tagesgang der Stromnachfrage und ihre Deckung ohne und mit Windenergie in der E.ON-Regelzone, durchschnittliche Tagesleistung, Januar - Juni 00 a) Stromnachfrage und Stromproduktion aus Wind [GW] 0 Stromnachfrage Stromproduktion aus Wind E.ON 0-0, Jan. Jan 0. Mrz. Mrz 0. Apr 0. Mai 9. Jun Seite von 7

24 Abbildung. : Tagesgang der Stromnachfrage und ihre Deckung ohne und mit Windenergie in der E.ON-Regelzone, durchschnittliche Tagesleistung, Januar - Juni 00 b) Stromnachfrage minus Stromproduktion aus Wind [GW] 0 Stromnachfrage minus Wind E.ON 0-0, Jan. Jan 0. Mrz. Mrz 0. Apr 0. Mai 9. Jun Seite von 7

25 Zusammenfassung Bis etwa 000 bestand in Deutschland eine Dominanz von Großkraftwerken auf Kohle- und Uranbasis. Die von der Bundesregierung vorgegebenen, großteils gesetzlich festgeschriebenen Ziele des Klimaschutzes und einer verringerten Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen sehen schon für die nächsten 0 Jahre schrittweise einen drastischen Wandel vor: Bis 0 soll das letzte Kernkraftwerk abgeschaltet sein, Erzeuger erneuerbarer Energien sollen bis 0 die Hälfte der installierten Generatorleistung ausmachen (davon wiederum die Hälfte Windenergie), in 00 über 0%, weitere % sollen dann auf dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung entfallen. Im Energieprogramm der Bundesregierung ist eine Erhöhung der installierten Leistung von Windenergieanlagen von rund GW in 00 auf knapp 0 GW in 0 und bis zu 70 GW in 00 festgeschrieben. Dadurch wird Zug um Zug eine durchgreifende Änderung des gesamten Kraftwerkssystems notwendig. Erforderlich ist v.a. der Ausgleich der raschen und starken Schwankungen des Windenergieangebots durch Nachfrage- und Angebotssteuerung und den Einsatz einer großen Anzahl von kleinen und mittelgroßen rasch regelbaren neuen Reserve-Kraftwerken, zu deren Betrieb neben Erdgas zunehmend auch ins Gasnetz eingespeistes Biogas beitragen kann. Bewährte und neue Speicher für elektrische Energie werden dabei eine wachsende Rolle spielen. Seite von 7

26 7 9 Erneuerbare Energien können zusammen mit dem vorgesehenen hohen Anteil an Kraft-Wärme- Kopplung schon ab 0 häufig für Stunden oder gar Tage annähernd die gesamte Stromnachfrage in Deutschland abdecken. Insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und die CO - Zertifikate werden dafür sorgen, dass der Markt die notwendige Umwandlung des gesamten Kraftwerkssystems in den nächsten 0 Jahren vorantreiben wird. Als Folge dieser notwendigen Entwicklung wird für große Grundlastkraftwerke nur noch ein sehr geringer Bedarf etwa zur Frequenzstabilisierung bestehen. Wegen der daraus resultierenden immer kürzeren Nutzungsdauern werden die derzeit geplanten Neubauten von Grundlastkraftwerken unwirtschaftlich und zu großen betriebswirtschaftlichen Verlusten für die Investoren führen. 0 Seite von 7

27 7 9 Sehr geehrter Herr Dekan, sehr geehrte Kolleginnen und Kollegen! Haben Sie nochmals herzlichen Dank für Ihre großzügige Unterstützung meiner Forschungsarbeiten, die zusammen mit Prof. Dr. G.M. OBERMAIR, Universität Regensburg und Staatssekretär a.d. W. VOIGT, Kiel durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind mittlerweile auch als wissenschaftliches Fachbuch verfügbar: Jarass/Obermair/Voigt: Windenergie - Zuverlässige Integration in die Energieversorgung. Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, Juni Seite 7 von 7