Pumpspeicher-Kraftwerke (PSW)

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1 Pumpspeicher-Kraftwerke (PSW) Prof. Dr.-Ing. Frank Pöhler Bayerischer Energiedialog AG 2: Speichertechnologien StMWi

2 Gliederung 1. Anforderungen an Stromspeicher, abgeleitet aus heutigem Entwicklungsstand der Energiewende 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher 3. PSW - Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen 4. PSW als idealer Partner einer wirtschaftlichen Gestaltung der Energiewende 5. Voraussetzungen für den weiteren Ausbau notwendiger Speicher 2

3 1. Anforderungen an Stromspeicher Energiewende in Deutschland - eine Erfolgsstory? Ja Strommix in Deutschland im Jahr 2013 Installierte Leistung EE ( ): 83,8 GW, davon (3,4 GW WK > 5 MW) 80,4 GW EEG-gefördert 35,4 GW Wind onshore 0,6 GW Wind offshore (+0,8 GW ohne Netzanschluß) 36,8 GW Photovoltaik 6,1 GW Biomasse 1,5 GW Wasserkraft davon 73 GW fluktuierende Wind- und PV-Leistung Bundesnetzagentur, eigene Recherche 3

4 1. Anforderungen an Stromspeicher Energiewende in Deutschland - eine Erfolgsstory? Nein Kostenexplosion beim Zubau von regenerativer Erzeugung fehlende Fördereffizienz Stromerzeugung und Stromnachfrage nicht im Gleichgewicht Ausgleich stark schwankender Einspeisung von EE Notwendiger Ausbau der Netzkapazitäten verzögert sich sowohl Übertragungsnetz, als auch Verteilnetz - Netzstabilität! Verzerrter Strommarkt 25% Planwirtschaft hebeln Funktionieren des Strommarkes aus Konventionelle Kraftwerke gehen vom Netz, Netzstabilität wird kritisch Fehlende Investitionsanreize für notwendige Schattenkraftwerke und Speicher Stromspeicherung unzureichend 4

5 1. Anforderungen an Stromspeicher Rasanter Anstieg der Kosten 6,24 Zusätzlich zur EEG-Umlage: - Erhöhte Netzentgelte - Offshore-Haftungsumlage - 19 StromNEV-Umlage - $18 AbschaltVO-Umlage - KWK-Umlage - Stromsteuer - Konzessionsabgebe - Mehrwertsteuer Prof. Mauch Keine Wolkenkuckuksheime bauen, (nicht nur auf Erwartungen, sondern auf Realitäten) realistische und ideologiefreie Annahmen für Prognosen sind unerlässlich 5

6 1. Anforderungen an Stromspeicher Nur die große Wasserkraft > 5 MW ist als EE heute wirtschaftlich und ohne Subvention betreibbar Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken (2014) BDEW, 24. Februar 2014 Marktpreis 2014 EEX-Terminmarkt 3,3 ct/kwh % Durchschnittlicher EEG-Vergütungssatz 2012 nach Abzug der vermiedenen Netzentgelte 16,16 ct/kwh 6

7 1. Anforderungen an Stromspeicher Energiewende: Eine neue Phase beginnt Wind und PV : 73 GW 2020: 110 GW Minimallast: GW!!! Trotz Ausbaukorridor nach EEG 2014 Überschußstrom aus fluktuierender Wind- und PV-Erzeugung Mathias Timm, Energiespeicher Gewinner oder Verlierer der Energiewende?, Tagung Unkonventionelle Pumpspeicher, Goslar, Dena-Verteilnetzstudie , S.16: Bandbreite der Last in Deutschland: ca. 30 GW - ca. 84 GW Nur im europäischen Gleichschritt! - Ausbau Wind + PV - Netzausbau - Speicher 7

8 1. Anforderungen an Stromspeicher Was tun, wenn Wind + PV nicht verfügbar? extreme Schwankungen (täglich, jahreszeitlich) EE* = Wind + PV 2012: 63 GW PV + Wind Lastunterschiede innerhalb 1,5 h bis zu MW bzw. 6 h rd MW Parallel zu Wind- und PV notwendig: 1. Schattenkraftwerke zur Bedarfsdeckung in voller Höhe 2. Hochflexible und zuverlässige KW zur Ausregelung 3. Flexible Stromspeicher 8

9 1. Anforderungen an Stromspeicher Verzerrter Strommarkt 25% Planwirtschaft (Subventionswirtschaft) hebeln Funktionieren des Strommarktes aus 3,3 ct/kwh Konventionelle Kraftwerke nicht mehr wirtschaftlich betreibbar und gehen vom Netz Antrag an Bundesnetzagentur zur Stilllegung von 49 KW mit 11 GW (darunter u.a. sogar PSW Rönkhausen/MarkE mit 140 MW) Netzstabilität wird kritisch Fehlende Investitionsanreize für notwendige Schattenkraftwerke und Speicher (neues Marktmodell notwendig!) Anmerkung: bei Gas-KW sind allein die Brennstoffkosten doppelt höher als die Stromerlöse (Betriebskosten und Kapitalkosten dabei noch nicht einmal berücksichtigt) 9

10 1. Anforderungen an Stromspeicher Anforderungen an Stromspeicher Bewährte Technik, hohe Verfügbarkeit, sehr lange Lebensdauer, hohe Speicherleistung, geringe Speicherverluste, hoher Wirkungsgrad Geringe Investitions- und Betriebskosten, Schnelle Einsatzzeiten, hohe Leistungsgradienten, gutes Teillastverhalten Bereitstellung von Regelenergie und von Reserve- und Störungsreserveleistung Spannungshaltung (Blindleistungskompensation) Schwarzstartfähigkeit Akzeptanz PSW erfüllen die meisten Anforderungen derzeit von allen Möglichkeiten der Stromspeicherung am besten 10

12 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Prinzipskizze Strom speichern (Pumpbetrieb) Strom erzeugen (Turbinenbetrieb) L minimieren, um Baukosten und Verluste zu minimieren Fallhöhe H maximieren, da direkt proportional der Leistung bzw. der zu speichernden Energiemenge 12

13 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Bewährte Technik, hohe Verfügbarkeit, sehr lange Lebensdauer bewährte, erprobte und ausgereifte Technik, im Einsatz seit 1930 in Europa 170 PSW mit 45 GW Leistung in Betrieb hohe Verfügbarkeit > 95% sehr lange Lebensdauer - erprobt und gesichert - bauliche Anlagen (u.a. Speicherbecken) > Jahre - Turbinen, Pumpen Jahre 13

14 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Hohe Speicherleistung, hoher Wirkungsgrad, geringe Speicherverluste hohe Speicherleistung MW pro Standort (2 bis 265 MW/Maschinensatz) größtes Projekt in Deutschland: PSW Atdorf mit MW hohe Speicherkapazität Tagesspeicher in Deutschland (Mittelgebirge) mit und ohne natürlichem Zufluss 200 bis MWh aktuelle max. Speicherkapazität: Deutschland: 38 GWh Wochen- Monats- und Jahresspeicher im Alpenraum (Österreich, Schweiz) meist mit natürlichen Zufluss (Kombination von Speicher- und PSW) mehrere MWh aktuelle max. Speicherkapazität: Österreich: GWh Schweiz: GWh hoher Gesamtwirkungsgrad bei Rückverstromung 80% (70 85%) geringe Speicherverluste (nahe Null) - Verdunstung/Niederschlag gleichen sich aus 14

15 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Geringe Investitions- und Betriebskosten Investitionskosten pro kw (leistungsbezogen) und pro kwh (kapazitätsbezogen) 1000 /kw standortabhängig (zwischen 700 /kw und /kw) 10 /kwh bezogen auf Investitionsanteil nur für Speicher (5-20 /kwh) bezogen auf Gesamtinvestition ( /kwh) Betriebskosten pro kwh (kapazitätsbezogen) 1,0 ct/kwh (0,7-1,5 ct/kwh für direkte Betriebs- u. Instandhaltungskosten bei Vollast-h/a, ohne anteilige Kapitalkosten) leistungsbezogen: 15 /kw/a (10-20 /kw/a) 4,8 ct/kwh Kapitalkosten (bei 1000 /kw, 6% Zins, 30 Jahre, Vollast-h/a) leistungsbezogen: 73 /kw/a 5,8 ct/kwh Gesamtbetriebskosten Neuanlage (direkte Betriebs- u. Instandhaltungskosten und Kapitalkosten) Stromerzeugungskosten bei Strombezugskosten von 2 ct/kwh, 80% ETA 3,5 ct/kwh bei abgeschriebenen Anlagen (ohne Kapitalkosten) 8,3 ct/kwh bei Neuanlagen (mit Kapitalkosten) 15

16 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Schnelle Einsatzzeiten, hohe Leistungsgradienten, gutes Teillastverhalten Schnelle Einsatzzeiten höchste Flexibilität, heute bis zu 50 Betriebsartenwechsel/Tag (Pu-Tu-Ph ) schnelle Anfahr- und Umschaltzeiten bei PSW mit Ternäre Maschinensätze (3-Maschinensatz) Vorteile: hydraulische Kurzschluss, große Druckhöhen, hohe Effizienz u. Flexibilität Pumpturbinen Vorteile: niedrigere Investitionskosten, kleinere Abmasse, geringere Betriebs- und Wartungskosten Hohe Leistungsgradienten (>100% der installierten Leitung pro min) z.b. PSW Erzhausen bei Generatorbetrieb 5 MW auf Volllast 55 MW in 16 s Gutes Teillastverhalten 10% - 100% im Turbinenbetrieb (abhängig von Konstruktion) 60% - 100% im Pumpbetrieb (bei Asynchron-Motor-Generator oder Umrichter) 16

17 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Bereitstellung aller Regelenergiearten (Systemdienstleistungen) pos./neg. Primärregelleistung pos./neg. Sekundärregelleistung Tertiärregelleistung (Minutenreserve) 17

18 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Spannungshaltung und Schwarzstartfähigkeit Spannungshaltung Blindleistungskompensation durch sog. Phasenschieberbetrieb von PSW gewinnt durch den weiteren Ausbau von Wind und PV bei gleichzeitiger Abschaltung von AKW und Thermischen Kraftwerken zunehmend an Bedeutung - Blindleistung erzeugt Spannung, notwendig dass Strom fließen kann; - Blindleistung/Spannung wird von Spulen und Kondensatoren erzeugt bzw. verbraucht - hochbelastete Freileitung wirkt wie Spule Spannung sinkt, man braucht Kondensator, um Spannung anzuheben - niedrig belastete Freileitung wirkt wie Kondensator Spannung steigt und muss durch Spule wieder abgesenkt werden - für beide Zwecke braucht man Generator im Phasenschieberbetrieb - Blindleistung muss an vielen Punkten des Netzes stabilisiert werden Schwarzstartfähigkeit PSW können i.d.r. ohne Hilfsenergie angefahren werden und sind somit wichtige Stütze beim Wiederaufbau nach einem black-out (10 Stunden Stromausfall für Deutschland 10 Mrd. Schaden) 18

19 2. Eigenschaften von PSW zur Erfüllung der Anforderungen an Stromspeicher Akzeptanz Hohe Akzeptanz bei Bestandsanlagen Hohe Akzeptanz bei Erweiterung von Bestandsanlagen Akzeptanz bei Neubauprojekten - örtlich differenziert, vom Projekt abhängig - bei der allgemeinen Öffentlichkeit hohe Akzeptanz - bei NGO s und einzelne Anwohner auch Ablehnung Positive Beispiele: - Erweiterung PSW Waldeck 2+ in Nordhessen mit 300 MW Genehmigungsverfahren innerhalb von 1 Jahr positiv abgeschlossen - ähnlich positive Erfahrungen in Österreich bei Erweiterung ReißeckII Versachlichung der Diskussion auf Basis von Fakten Runder Tisch mit Betroffenen, Offenheit, Abwägung der Vor- und Nachteile Unterstützung von Politik und Behörden notwendig 19

21 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen PSW in Deutschland zusätzlich ca MW in Planung Quelle: Prof. Aufleger + eigene Bearbeitung 21

22 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen PSW in D A - CH Bestand/im Bau: MW Planungen: MW Zuzüglich Bestand Speicherkraftwerke D - A - CH: 12,1 GW D: 0,3 GW A: 3,7 GW CH: 8,1 GW Quelle: Dr. Gruber, Verbund Quelle: Prof. Aufleger 22

23 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen PSW in D A - CH Realisierung der Planungen unter heutigen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen nicht möglich E.ON PSW Waldeck MW, 250 Mio, 830 /kw Genehmigung liegt vor seit 2011 Investitionsentscheidung fehlt Schluchseewerk AG PSW Atdorf MW, Mio Behördenverfahren läuft RWE als Partner vorerst ausgestiegen Verbund AG PSW Riedl 300 MW, 350 Mio, Behördenverfahren läuft Quelle: Prof. Aufleger + eigene Bearbeitung 23

24 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen Fehlende wirtschaftliche Rahmenbedingungen Reduzierung Spread zwischen Peak- und Baseload am EEX-Terminmarkt (von 30 /MWh auf 10 /MWh) 0:00 24:00 Uhr 8:00 20:00 Uhr Quelle: BDEW, EEX 24

25 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen Fehlende wirtschaftliche Rahmenbedingungen Reduzierung Spread zwischen Peak- und Baseload am EEX-Spotmarkt (von 6 /MWh auf 3,8 /MWh) 0:00 24:00 Uhr 8:00 20:00 Uhr Quelle: BDEW, EEX 25

26 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen Sinkende Wälzerlöse auf ca. 15 /MWh bzw. 1,5 ct/kwh 5,8 ct/kwh Betriebskosten Neuanlage (direkte Betriebs- u. IH-kosten + Kapitalkosten) ohne Strombezug Seit 2008 deutlich sinkende Spreads zwischen Peak (Turbineneinsatz) und Off-Peak (Pumpeneinsatz) und damit sinkende Erlösmöglichkeiten für Pumpspeicher Erlöse auf dem Regelenergiemarkt können das nur zum Teil kompensieren Quelle: Dr. Gruber, Verbund AG 26

27 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen Wirtschaftliche Rahmenbedingungen für PSW selbst unter günstigsten Annahmen Wirtschaftlichkeit grenzwertig Investitionsentscheidung für PSW heute nicht ableitbar Kumulierter Barwert der betrachteten Vermarktungsoptionen Vermarktungsoptionen Quelle: Gutachten zur Rentabilität von Pumpspeicherkraftwerken, FfE München, September

28 3. PSW Bestand und Projekte in Deutschland und Europa, wirtschaftliche Rahmenbedingungen Wirtschaftliche Rahmenbedingungen Andere Stromspeicheroptionen unter heutigen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen erst recht chancenlos Spezifische Stromspeicherkosten ohne Kosten des Strombezugs Quelle: Hartmann u.a., Stromspeicherpotenziale für Deutschland, Zentrum für Energieforschung, Universität Stuttgart, Juli

30 4. PSW als idealer Partner einer wirtschaftlichen Gestaltung der Energiewende Studie der RWTH Aachen Idee: Pumpspeicher als Klammer der Energiewende Optimierung des Einsatzes thermischer Kraftwerke durch PSW im Interesse der Kostenminimierung des Gesamtsystems Quelle: Prof. Moser, Unterstützung der Energiewende in Deutschland durch einen Pumpspeicherausbau - Potenziale zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit, RWTH Aachen, April

31 4. PSW als idealer Partner einer wirtschaftlichen Gestaltung der Energiewende Studie der RWTH Aachen 31

32 4. PSW als idealer Partner einer wirtschaftlichen Gestaltung der Energiewende Studie der RWTH Aachen 32

33 4. PSW als idealer Partner einer wirtschaftlichen Gestaltung der Energiewende Ergebnisse der Studie der RWTH Aachen Jahr Anteil EE 60% 80% Optimale PSW-Leistung 15 GW 23 GW Zusätzliche PSW-Leistung 8 GW 16 GW Gesamt-Speichervermögen 96 GWh 152 GWh Durch PSW aufgenommene EE-Überschüsse 6,0 TWh 17,6 TWh Reduktion der EE-Abregelung ggü. ohne PSW 72,5% 64,5% Reduzierung Vorhaltung Gaskraftwerke 13 GW 16,6 GW CO2-Reduktion 1 Mio t/a 2 Mio t/a Kostensenkung Gesamtsystem 5 Mio /a 184 Mio /a Quelle: Prof. Moser, Unterstützung der Energiewende in Deutschland durch einen Pumpspeicherausbau - Potenziale zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit, RWTH Aachen, April

35 5. Voraussetzungen für den weiteren Ausbau notwendiger Speicher Notwendige politische Weichenstellungen (1) Befreiung von Netznutzungsentgelten ach für Bestandskraftwerke PSW tragen erheblich zur Netzstabilisierung bei und ermöglichen als Stromspeicher die Aufnahme von Überschussstrom aus Wind und Photovoltaik, werden aber unverständlicherweise als Letztverbraucher mit hohen Netznutzungsentgelten belastet, obwohl die Energie nur zwischengespeichert wird und PSW durch ihre Betriebsweise zur Netzentlastung statt Netzbelastung beitragen. Eine Befreiung von Netznutzungsentgelten auch für Bestandskraftwerke, sowie eine EU-weite Harmonisierung wäre ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Das ist wichtig zur Sicherung der Bestandskraftwerke in Deutschland, aber auch zur Integration zusätzlicher Kapazitäten aus Österreich/Schweiz. 35

36 5. Voraussetzungen für den weiteren Ausbau notwendiger Speicher Notwendige politische Weichenstellungen (2) Schaffung wirtschaftlicher Rahmenbedingungen für Investitionen Bei heutigem durch massive EE-Subventionen verzerrten Strommarkt reicht der Spread zwischen Peak- und Baseload nicht aus, um neue PSW wirtschaftlich zu betreiben. Hier müssen wirtschaftliche Rahmenbedingungen geschaffen werden, um Investitionen in den Neubau von Stromspeichern (technologieneutral) zu ermöglichen. Erhöhung der Akzeptanz für PSW Um die Akzeptanz für neue PSW zu erhöhen, darf diese Technologie - als die mit Abstand wirtschaftlichste - nicht kaputtgeredet, sondern sollte durch die Politik bedingungslos unterstützt werden. Vollständige Marktöffnung für Regel und Ausgleichsenergie Um die vorhandenen Speicher- und Pumpspeicherkapazitäten in Österreich und in der Schweiz für Deutschland besser nutzen zu können, ist eine vollständige Marktöffnung für die Regel- und Ausgleichsenergie erforderlich. 36