Gekoppeltes Energiesystemmodell für den Energieumstieg in Bayern

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1 Gekoppeltes Energiesystemmodell für den Energieumstieg in Bayern 13. Symposium Energieinnovation Marco Pruckner, Gaby Seifert, Matthias Luther, Reinhard German Informatik 7 Rechnernetze und Kommunikationssysteme

2 Inhalt! Ausgangssituation! Simulationsmodelle! Ergebnisse! Fazit 1

3 Ausgangslage! Ausstieg aus der Kernenergie! Kernenergie hat einen Anteil von knapp 50 % an der bayerischen Stromerzeugung! Bis 2023 sind ca. 5,3 GW an Kraftwerkskapazität zu ersetzen 32% % 47% 13% Kernenergie Erdgas Erneuerbare Sons7ge Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung: Bruttostromerzeugung in Bayern! Bayerisches Energiekonzept Energie Innovativ wurde im Mai 2011 verabschiedet! Erneuerbare Energien deutlich schneller ausbauen! Energienetze ausbauen! Stromspeicher schaffen! Bau neuer Gas-Kraftwerke! Energieeffizienzmaßnahmen 2

4 Geplanter Netzausbau in Deutschland - EnLAG - - NEP Strom - 3

5 Erneuerbare Energien deutlich schneller ausbauen Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Bayern 50% 40% 30% 20% 10% 1,20% 0,70 % 0,90% 9,20% 4,90 % 7,90% 6,50 % 7,30% 7,90% 13,60 % 12,00% 13,20% 6-10 % 16 % 10 % 17 % 0% Ziel 2021 * Wasserkraft Bioenergie Photovoltaik Windenergie * Anteil an der Bruttostromnachfrage 4

6 Projekt Energiesystemanalyse Bayern Projektteam: Partner Politik: Partner Wirtschaft: Presse: M. Pruckner, G. Seifert: Energiesystemmodell für den Energieumstieg in Bayern 5

7 Projekt Energiesystemanalyse Bayern Optimierung Simulation Netz Lastprognose Prognose EE Einspeisung Abweichungen Abweichungen tatsächliche Last tatsächliche Einspeisung EE negativ Residuale Last Prognose positiv tatsächliche residuale Last negativ Differenz positiv Speicher geplante Exporte Erstellung Fahrpläne konvent. KW gemäß Merit Order Speicher neg. Regel- energie Speicher pos. Regel- energie zusätzl. Exporte zusätzl. Importe ausgeglichene Bilanz Lehrstuhl für Wirtschaftsmathematik Lehrstuhl Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme Koordination: Dr. Hassmann, Cluster Energietechnik, Bayern Innovativ 6

8 Simulationsmodell Lastkurven gemäß ENTSO-E Einspeisestruktur der EE Politische Rahmenbedingungen Kuppelkapazitäten für Im/Export Brennstoff- u. CO 2 -Preise Technische KW-Parameter Wirtschaftliche KW-Parameter Kraftwerkspark (Ausstieg KK) Leistung in MW Dynamisches Simulationsmodell zur Analyse unterschiedlicher Szenarien Euro/MWh Biomasse Photovoltaik Nachfrage Zeit in h WasserkraA WindkraA KernkraA Braunkohle Steinkohle GuD GT Mineralöl Szenariorahmen: - Ausbauziele EE - Zubau Gas-Kraftwerke - Netzausbau - Zubau Speicher - Stromnachfrage Stromerzeugung - Energiebilanzen auf verschiedenen Zeitskalen - Stündlicher KW-Einsatz - CO 2 -Emissionen - Betriebs- u. Volllaststunden - Auslastung Speicher Stromaustausch - Im- und Exporte von Strom - Knappheitssituationen über zusätzliche Im-/Exporte Weitere Ausgabeparameter - Residuallast - Regelenergiebedarf 7

9 Kopplung der Modelle Simulation Schnittstelle Netz Abbildung: FNN-Plan Quelle: Lehrstuhl Informatik 7, FAU 1) Stündliche Einsatzplanung von Kraftwerken zur Deckung der Nachfrage 2) Übergabe der Last, Einspeisung aus erneuerbaren Energiequellen und konventionellen Kraftwerken je Stunde an das Netzmodell 3) Regionale Zuordnung auf einzelne Netzknoten 4) Berechnung der Leistungsflüsse im elektrischen Netz Quelle: Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme, FAU 8

10 Elektrisches Netzmodell Berechnungsverfahren: AC-Lastfluss mit Iteration nach Newton-Raphson Prüfung folgender Kriterien:! Einhaltung der (n-1)-sicherheit! Einhaltung der zulässigen Grenzwerte der Betriebsmittel! Einhaltung der zulässigen Spannungsbänder im ungestörten Betrieb! Einhaltung der max. zulässigen Spannungsdifferenz 9

11 Exemplarische Untersuchungsergebnisse! Annahmen für das Jahr 2023! Ausbau der Erneuerbaren Energieträger gemäß bayerischem Energiekonzept (50 % EE an der Stromnachfrage)! Zubau von 2 GuD-Anlagen mit jeweils 800 MW; Zubau von dezentralen Gas-KW mit insgesamt 400 MW! Zubau des Pumpspeicherkraftwerks Riedl mit 300 MW Leistung und 5,6 GWh Kapazität! Fertigstellung der Thüringer Strombrücke! Konstanter Stromverbrauch von 85 TWh jährlich 10

12 Exemplarische Untersuchungsergebnisse für einen Sommertag im Jahr 2023 Leistung in MW Anzahl Stromerzeugung Grenzwertverletzungen im Netz Import Wind Photovoltaik WindkraA EE Sons7ge Konven7onelle Import Steinkohle Import Braunkohle Import Kernenergie n Überlastung (n- 1) Überlastung n Spannung (n- 1) Spannung delta U 11

13 Exemplarische Untersuchungsergebnisse für einen Wintertag im Jahr 2023 Stromerzeugung Leistung in MW Anzahl Grenzwertverletzungen im Netz Import Wind Photovoltaik WindkraA EE Sons7ge Konven7onelle Import Steinkohle Import Braunkohle Import Kernenergie n Überlastung (n- 1) Überlastung n Spannung (n- 1) Spannung delta U 12

14 Fazit! Gekoppeltes Optimierungs-, Simulations- und elektrisches Netzmodell zur Bewertung und Untersuchung der Entwicklung der Energieversorgung in Bayern! Im Simulationsmodell generierte zeitlich hochaufgelöste Einspeisezeitreihen können mit Hilfe des Netzmodells regional aufgelöst und analysiert werden! Erste Berechnungen liefern plausible Ergebnisse und identifizieren bei verzögertem Netzausbau kritische Netzzustände für Zeiten mit hohen Leistungsimporten nach Bayern! Die entwickelte Systematik kann auch auf andere Regionen bzw. Netzgebiete übertragen werden 13

15 Kontakt: Marco Pruckner Lehrstuhl für Rechnernetze und Kommunikationssysteme Martensstr Erlangen marco.pruckner@fau.de Gaby Seifert Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme Konrad-Zuse-Str Erlangen gaby.seifert@fau.de Informatik 7 Rechnernetze und Kommunikationssysteme