K. Krüger, Voith Hydro Holding, Heidenheim DLR, Stuttgart,

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1 Beitrag zu einer kostengünstigen und sicheren Energieversorgung durch einen vorausschauenden Pumpspeicherausbau vor dem Hintergrund zukünftiger EE-dominierter Erzeugungssysteme 2030/2050 K. Krüger, Voith Hydro Holding, Heidenheim DLR, Stuttgart,

2 Gliederung Hintergrund Idee: Pumpspeicher als Klammer der Energiewende Methodik und Annahmen zur Studie Abschätzung des wirtschaftlichen Speicherzubaus Konsequenzen des Speicherausbaus bezüglich: EE-Einspeicherung fossiler Kraftwerkspark Versorgungssicherheit & Wertschöpfung Zusammenfassung & Fazit 2

3 Hintergrund Energiewende: Ambitionierte Ausbauziele erneuerbare Energien (EE) Herausforderungen: Bilanzierung, Versorgungssicherheit, Netzausbau, Systemstabilität Bilanzierung: Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch Bilanzierung erfordert Flexibilität Flexibilität kann bereitgestellt werden durch Flexible thermische Kraftwerke, regelfähige EE-Anlagen Flexible Verbraucher (Demand Side Management) Speicher, insbesondere Pumpspeicher Versorgungssicherheit: Jederzeit genügend Erzeugung, um Verbrauch zu decken Versorgungssicherheit erfordert sicher verfügbare flexible Kraftwerke (sichere Leistung) Thermische Kraftwerke sind sicher und flexibel verfügbar Speicher müssen zur Bereitstellung sicherer Leistung gefüllt sein Offen: Kombinierter Nutzen von Speichern Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 3

4 Idee: Pumpspeicher als Klammer der Energiewende Bei national definierter Versorgungssicherheit ABER europäischem Binnenmarkt Ineffiziente thermische Einheiten wie GT zur Bereitstellung (nationaler) sicherer Leistung kommen kaum zum Einsatz Negative Deckungsbeiträge, Kapazitätsmechanismen erforderlich Alternative: Pumpspeicher stellen sichere Leistung und erwirtschaften Deckungsbeiträge Klammer bedeutet ein Paradigmenwechsel für den zukünftigen funktionalen Einsatz von Pumpspeichern: Kurzzeitspeicher für EE + Versorgungssicherheit (sichere Leistung) kombinierte Nutzung als + Flexibilität (Ausgleichsenergie, Regelenergie, Intraday-Handel,...) und unter Berücksichtigung der günstigsten Kosten. Zentrale Fragestellungen für eine gesamthafte Bewertung: Können Pumpspeicher sichere Leistung stellen? Welcher Pumpspeicherbedarf ist bei kombinierter Nutzung in zukünftigen EE-dominierter Erzeugungssysteme wirtschaftlich? Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 4

5 Methodik und Annahmen zur Studie Die neue Studie basiert auf dem IAEW Kraftwerksmodell und der IAEW Kraftwerkseinsatzplanung sowie der ETG Studie Es wurden dabei folgende Szenarien 1 betrachtet: 2030 mit einem 60 % - Anteil von EE in der Erzeugung 2050 mit einem 80 % - Anteil von EE in der Erzeugung 1 Annahmen zur Studie: Keine Netzbeschränkungen Beschränkung auf Deutschland Sonstiger Verbrauch auf Basis von ENTSO-E Daten EE-Erzeugung auf Basis vom IWES-Modell und Wetterdaten des Jahres 2007 EE-Installationskosten und Brennstoffkostenmodell auf Basis der BMU-Leitstudie 2010 Perfect Foresight stundenscharfe Auflösung für ein repräsentatives Jahr (2007) Investitionskosten für Zubau PSW 1000 /kw (Leistungsteil), 50 /kwh (Speicheranteil) Verhältnis Energie/Leistung für Zubau 3 / 5 / 7 Wh/W, Wirkungsgrad: 80%, Lebensdauer: 60 Jahre gemischter Kapitalzins von 4% Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende Schechner, Schilk Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 5

6 Methodischer Ablauf Für die Szenarien des EE-Ausbaus 2030 und 2050 erwarteter Verbrauch und Kraftwerkspark (EE & thermisch) Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubau auf Basis der ETG-Studie erwartete Residuallast Abschätzung sichere Leistung aus Pumpspeichern Anpassung der Leistung von Gaskraftwerken Jahresbetriebsanalyse des Kraftwerks- und Speicherparks Kostenanalyse für jedes Szenario Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende Schechner, Schilk Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 6

7 Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubau auf Basis der neuen ETG-Studie ø Volllaststunden je Speicherleistung (ETG, B) 4000 t [h] Zusätzliche Pumpspeicherleistung 60% EE (2030) 8 GW 80% EE (2050) 16 GW P [MW] 60% 80% PSW Leistung durch Zubau Annahme: Zubau muss im Durchschnitt Volllaststunden in Turbinenbetrieb aufweisen weitere signifikante Auslastung durch zusätzliche Systemdienstleistungen möglich Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering

8 Speicherung Integration von EE-Überschüssen durch PSW 2030 Lastgang 2 einer Woche ohne PSW 2030 (60% EE) Abregeln von EE MO DI Lastgang 2 einer Woche mit PSW 2030 (60% EE) MI DO FR SA SO Einspeichern EE Reduktion der Abregelung Ausspeichern EE Win-Win EE + PSW MO DI MI DO FR SA SO 2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 8

9 Speicherung Optimierung thermischer Kraftwerke durch PSW Lastgang 2 einer Woche ohne PSW 2030 (60% EE) MO DI MI DO FR SA SO Lastgang 2 einer Woche mit PSW 2030 (60% EE) Glättung Einspeichern thermischer Energie Reduktion Spitzenlast Win-Win konventionelle Kraftwerke + PSW MO DI MI DO FR SA SO 2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 9

10 Speicherung Integration von EE-Überschüssen durch PSW 2050 Lastgang 2 einer Woche ohne PSW 2050 (80% EE) Abregeln von EE MO DI Lastgang 2 einer Woche mit PSW 2050 (80% EE) MI DO FR SA SO Einspeichern EE Reduktion der Abregelung Ausspeichern EE Win-Win EE + PSW MO DI MI DO FR SA SO 2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 10

11 Speicherung Optimierung thermischer Kraftwerke durch PSW Lastgang 2 einer Woche ohne PSW 2050 (80% EE) MO DI MI DO FR SA SO Lastgang 2 einer Woche mit PSW 2050 (80% EE) Glättung Einspeichern thermischer Energie Reduktion Spitzenlast Win-Win konventionelle Kraftwerke + PSW MO DI MI DO FR SA SO 2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende Schechner, Schilk Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 11

12 Speicherung Zusammenfassung und Ergebnisse PSW können bei den angenommenen Ausbauprämissen für EE wesentliche Anteile der EE-Überschüsse aufnehmen und wieder abgeben: 2030 (60% EE): 6,0 TWh 2050 (80% EE): 17,6 TWh Dadurch wird in Relation zur Betrachtungsweise ohne PSW eine Reduktion der EE-Abregelung erzielt: 2030 (60% EE) um 72,5 % 2050 (80% EE) um 64,5 % Die Analyse unterstreicht die Bedeutung der PSW als Tagesspeicher Durch den Einsatz der PSW wird im Vergleich zur sonst bereitzustellenden fossilen Reserve eine hohe Auslastung und damit ein hoher Nutzen erzielt. Durch gezieltes Ein- und Ausspeichern werden Reduktion und Glättung des fossilen Energieeinsatzes erreicht. PSW bieten wirtschaftliche Bereitstellung von hohen Energiemengen und haben eine extrem hohe Zyklenfestigkeit. Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 12

13 Versorgungssicherheit Beitrag zur gesicherten Leistung durch PSW Energiebedarf zur Bereitstellung sicherer Leistung E [GWh] P [GW] 20 Energie EE 40% 40% Energie EE 60% 60% EE Energie 80% 80% Deutschland heute, 7 GW Leistung & 40 GWh 7 GW gesicherte Leistung aus PSW 2030, PSW-Zubau von 8 GW Leistung & 96 GWh 13 GW gesicherte Leistung aus PSW sichere Leistung 2050, PSW-Zubau von 16 GW Leistung & 152 GWh 16,6 GW gesicherte Leistung aus PSW Die Bereitstellung sicherer Leistung aus allen PSW steigt 2030 auf 13 GW (16,25%) 2050 auf 16,6 GW (20,75%) und vermeidet den Zubau einer fossil vorzuhaltende KW-Reserve um die gleichen Werte! Das Potenzial zur Bereitstellung sicherer Leistung aus PSW steigt bei höherem EE-Anteil, da der dazu erforderliche Energiebedarf sinkt. Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 13

14 Volkswirtschaftliche Betrachtung Versorgungssicherheit und EE-Speicherung Senkung der Stromgestehungskosten in Mio. / a 954, ,4-5,1-102,5-179,2-184, / EE 60% 2050 / EE80% -960 Einsparungen Investitionen in Gaskraftwerke Einsparungen variabler Stromgestehungskosten durch Speicherzyklen Investitionskosten Pumpspeicherkraftwerke Der volkswirtschaftliche Nutzen für den Ausbau der Pumpspeicherflotte um 8 GW bis 2030 und 16 GW bis 2050 kann bereits durch die Gegenüberstellung der Einsparungen für Investitionen in Gaskraftwerke und variable Stromgestehungskosten erreicht werden. Zusätzlich entstehen erhebliche volkswirtschaftliche Vorteile durch die vollständige Abdeckung der erforderlichen Systemdienstleistungen zur Absicherung der Versorgungsqualität und die optimierte Nutzung (geringere Volatilität) des thermischen Kraftwerksparks. Volkswirtschaftlicher Nutzen Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 14

15 Wertschöpfung in Deutschland Investitionen und Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland in Mio. / a ,4 954,8 Wertschöpfung = Investition in D 374,9 775,6 Einsparung von Brennstoff = Mindertransfer von Kapital ins Ausland Verbrauchervorteil /-nachteil in D ,2 102,5-102,5-179, ,2 102, ,1-184,4 179,2 102, Investitionen in Gaskraftwerke Investitionen in Pumpspeicherkraftwerke Gesamtinvestitionen in Deutschland Einsparung variabler Stromgestehungskosten durch Speicherzyklen Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland 2030 mit PSW 2050 mit PSW 2030 ohne PSW 2050 ohne PSW Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 15

16 Zusammenfassung des 2030 Szenarios (60% EE) Bis zu 8 GW zusätzliche Pumpspeicher können wirtschaftlich betrieben werden. Die Turbinen des gesamten Speicherparks inklusive des Bestandes erreichen bis zu und die Pumpen Volllaststunden. Durch den Einsatz der Pumpspeicher kann das Abregeln von Windenergieund Photovoltaikanlagen häufig verhindert werden. Abzüglich der Speicherverluste können hierdurch bis zu 2 TWh zusätzlich integriert werden. Die durch fossile Kraftwerke vorzuhaltende sichere Leistung kann durch Pumpspeicherkraftwerke reduziert werden. 15 GW Pumpspeicher mit einem Speichervolumen von 96 GWh ersetzen bis zu 13 GW Gaskraftwerke. Trotz dem verstärkten Einsatz von kostengünstigen Braunkohle-KW sinken die gesamten CO 2 Emissionen um 1 Mio.t/a. Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 16

17 Zusammenfassung des 2050 Szenarios (80% EE) Im 80%-Szenario können zusätzlich 16 GW PSW wirtschaftlich betrieben werden. Die Turbinen des gesamten Speicherparks inklusive des Bestandes werden noch intensiver eingesetzt und erreichen bis zu und die Pumpen Volllaststunden. Der Einsatz der Pumpspeicher verhindert das Abregeln von EE im signifikanten Umfang. Abzüglich der Speicherverluste können rund 5 TWh zusätzlich integriert werden. 23 GW Pumpspeicher mit einem Speichervolumen von 152 GWh ersetzen bis zu 16,6 GW thermische Kraftwerke. Durch die PSW Integration verdrängt EE-Erzeugung Erzeugung aus Gaskraftwerken. In diesem Szenario sinken die CO 2 Gesamtemissionen um 2 Mio.t/a Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 17

18 Fazit Durch die konsequente Nutzung der kostengünstigen und bewährten Pumpspeichertechnologie werden die zentralen Herausforderungen der Energiewende sehr gut gelöst. Die Kombination aus Speicher, gesicherter Leistung und Flexibilität vereint in einem Kraftwerkstyp ist der entscheidende Erfolgsfaktor. PSW sind als verbindendes Element zwischen den fluktuierenden EE und den konventionellen Energieerzeugern zu sehen. PSW sind durch eine hohe Auslastung wirtschaftlich. Durch ihren gezielten Einsatz wird die Energiewende kostengünstiger. Die Abregelung von EE sinkt signifikant durch EE-Einspeicherung. Entsprechend der Bedarfssituation kann Energie wieder ausgespeichert werden. Im Vergleich zur Vorhaltung fossiler Reserven ist eine CO 2 -Emissionsreduktion erzielbar. Der wirtschaftliche Nutzen von PSW steigt mit dem Ausbau der EE stetig an. 18

19 Kontakte: Dr. Klaus Krüger Leiter R&D Voith Hydro Holding Schechner Alexander Voith Hydro Heidenheim Dr. Niklas Rotering IAEW der RWTH Aachen 19

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