Dynamische Simulation eines Lastmanagements und Integration von Windenergie in ein Elektrizitätsnetz

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1 Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI ISI-Schriftenreihe»Innovationspotenziale«Marian Klobasa Dynamische Simulation eines Lastmanagements und Integration von Windenergie in ein Elektrizitätsnetz Fraunhofer IRB Verlag

2 Inhaltsverzeichnis Seite Kurzfassung 1 Abstract 3 1 Problemstellung und Ziel der Arbeit 5 2 Bestehende Ansätze zu Lastmanagement und Windintegration Arbeiten zu Lastmanagement und flexiblen Stromtarifen Arbeiten zur Windintegration und Abschätzung der zusätzlichen Kosten Einsatz von Stromspeichern 20 3 Methodische Vorgehensweise Bestimmung der Lastmanagementpotenziale Ableitung der technischen Potenziale Ableitung der ökonomischen Potenziale Ableitung der zukünftig realisierbaren Potenziale Unsicherheiten bei der Ermittlung der Lastmanagementpotenziale Ableitung der zeitlich hochaufgelösten Windeinspeisung Windeinspeisung Windprognose Simulation der Auswirkungen eines Lastmanagements Simulation des Kraftwerkbetriebes Simulation des Reservebedarfes Vorhaltung und Einsatz last- und erzeugungsseitiger Kapazitäten Kostenbestimmung der Regelungspotenziale Bilanzierung der C0 2 -Emissionen Kapital- und Netzerweiterungskosten 48 4 Analyse der Innovation Lastmanagement und deren technischökonomischen Potenzials Anwendungsbereiche und Potenziale eines Lastmanagements Verlagerungsmöglichkeiten und flexible Verbraucher in der Industrie 51

3 Lastverlagerungspotenziale in der Grundstoffchemie (Herstellung von Chlor, Luftzerlegung) Lastmanagement in der Aluminiumherstellung Lastmanagement bei der Herstellung von Kupfer und Zink Lastmanagement in der Papierindustrie Lastmanagement in der Stahlindustrie Lastmanagement in der Zementindustrie Querschnittstechnologien in der Industrie Zusammenfassung der Lastmanagementpotenziale in der Industrie Lastmanagement in den Sektoren Gewerbe, Handel und Dienstleistungen Kühlen, Gefrieren Klimatisierung und Ventilation Elektrische Heizungssysteme Notstromsysteme Zusammenfassung der Lastmanagementpotenziale im GHD- Sektor Lastmanagement im Haushaltsbereich Haushaltsgeräte, Kälte- und Klimatisierungsanwendungen Wärmepumpen, Nachtspeicher, Warmwasser Zusammenfassung der Lastmanagementpotenziale im Haushaltssektor Zusammenfassung der Lastmanagementpotenziale für Deutschland Heutige und zukünftige Handlungsmöglichkeiten von Akteursgruppen Potenzialentwicklung und zukünftige Handlungsfelder Kostenentwicklung der Lastmanagementpotenziale Investitionskosten für Kommunikations- und Steuerungstechnologie Aktivierungskosten für Lastmanagementpotenziale Handlungsmöglichkeiten für im Strommarkt aktive Akteure Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber Versorger Unabhängige Stromerzeuger Umsetzungsmöglichkeiten für ein Lastmanagement Indirektes Lastmanagement mit dynamischen Stromtarifen Real Time Pricing Zeitvariable Tarife Erzielbare Lastverlagerungen mit dynamischen Tarifen Direktes Lastmanagement 102

4 4.3.3 Bewertung der Lastmanagementprogramme 104 Regelung des Energiesystems Schwankungen der Nachfrage Windstromerzeugung Einspeisecharakteristik der Windenergie Prognosemöglichkeiten der Windenergie Windeinspeisung und Klimawandel Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit konventioneller Erzeugung Dynamisches Verhalten von konventionellen Erzeugungseinheiten Ausgleich von Nachfrage und Erzeugung durch die Strom- und Regelenergiemärkte Strommärkte Regelenergiemärkte Spezielle Aspekte mit Einfluss auf den Regelenergiemarkt und den Einsatz eines Lastmanagements Zukünftige Entwicklung der Vorhersagegenauigkeit der Windeinspeisung Ausgleichsmöglichkeiten durch Stromaußenhandel Bewertung von Lastmanagement im Netzbetrieb 128 Simulation eines Elektrizitätssystems mit Lastmanagement Modellstruktur Stromnachfrage und Verlagerungspotenziale Submodell Winderzeugung Simulation der konventionellen Erzeugung Interaktion Last- und Regelkraftwerke 143 Ergebnisse der Simulation - Elektrizitätsversorgung in Deutschland Beschreibung der Szenariovarianten bis Modellkalibrierung für das Jahr Stromerzeugung aus erneuerbaren und konventionellen Kapazitäten Entwicklung der mittleren Windeinspeisung Entwicklung der Stromerzeugung 160

5 IV 7.4 Zukünftige Anforderungen an die Regelung des Energiesystems Portfolio des Regelmarktes, Lasten und Erzeugungstechnologien Ausgleich durch erzeugungsseitige Regelung Ausgleich durch Lastmanagementoptionen beim Stromverbraucher Anlegbare Kosten für Lastmanagementpotenziale Auswirkungen verbesserter Windprognosen Sensitivität der Brennstoffpreise Auswirkungen auf C0 2 -Emissionen Direkte C0 2 -Emissionen durch den Kraftwerksbetrieb Zusätzliche Emissionen durch Regelaufwand Zusammenfassung CCVEmissionen Zusätzliche Kosten der Windintegration Zusammenfassung der zusätzlichen Regelungskosten Zusätzliche Kosten im Betrieb Auswirkungen auf die Investitionen Zusammenfassung der zusätzlichen Kosten Diskussion des zusätzlichen Regelungsbedarfes Schlussfolgerungen und Empfehlungen Diskussion der Ergebnisse und Ausblick Literatur Anhang Rohstoffpreise für Aluminium, Kupfer, Zink, Chlor und Natronlauge Räumliche Verteilung sowie tageszeitliches Profil der Windenergieeinspeisung Kosten für die Vorhaltung und den Abruf an Regelleistung Zusätzlicher negativer Regelleistungsbedarf und Regelleistungsabruf im Vergleich zur DENA-Netzstudie Vergleich der Fluktuationen der Windenergie mit Zeitreihen des ISET 218