Optimaler Erzeugungsmix für 100% regenerativen Strom in Österreich

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1 Optimaler Erzeugungsmix für 100% regenerativen Strom in Österreich IEWT 2011 Session 2D, , TU Wien Martin Boxleitner, TU Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

2 Agenda Motivation und zentrale Fragestellung Methodik Datenbasis Optimierung: Zielen, Rahmen, Methoden Ergebnisse Regionale Optima Globales Optimum und Ausgleichseffekte Schlussfolgerungen und Ausblick IEWT Martin Boxleitner 2

3 Motivation Steigender Energieverbrauch global Wettbewerb um begrenzte, fossile Ressourcen Preis Inhomogene Ressourcenverteilung Importe Treibhausgasemission Klimawandel Paradigmenwechsel im Energiesystem notwendig! Substitution von fossilen befeuerten Anlagen durch erneuerbare Energieformen: Wasserkraft, Wind, PV, IEWT Martin Boxleitner 3

4 Motivation Vorteile der erneuerbaren Energien: Kostenlose Primärenergie, keine Treibhausgasemissionen lokale Erzeugung Nachteile: Volatilität hohe Gradienten, Regelleistung Geringe Volllaststunden hohe Leistungen Netze! inhomogenes Dargebot IEWT Martin Boxleitner 4

5 Zentrale Fragestellung 100% regenerativen Strom für Österreich mit Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik Optimale Kombination der regionalen Erzeugungen unterschiedliche Zielfunktionen Ausnutzung regionaler Charakteristika Ausgleichseffekte IEWT Martin Boxleitner 5

6 Methodik - Datenbasis Unterteilung Österreichs in 8 Regionen (ähnliche Dargebots-Charakteristik) Zeitreihen für Windkraft, PV und Wasserkraft über 15 Jahre in stündlicher Auflösung aus meteorologischen Daten Flächenpotenzialanalyse mit Geo-Informations- System Last: e-control-daten für 2007 und 2008 Normierung auf mittlere Jahresertrag von /a IEWT Martin Boxleitner 6

7 Methodik - Optimierungsziele Ständiges Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch notwendig Speicher als zentrales Element Speicherinhalte und Leistungen als Output Unterteilung: Tages- und Jahresspeicher Übergeordnetes Ziel: Speicherbedarf minimieren 6 Optimierungsziele in 3 Gruppen IEWT Martin Boxleitner 7

8 Methodik - Optimierungsziele Intraday: Energieinhalt Tagesspeicher Minimaler Überschuss intraday Minimales Defizit intraday Intrayear: Energieinhalt Jahresspeicher Minimaler Überschuss intrayear Minimales Defizit intrayear Stundenwert: Pump- und Turbinenleistungen Minimaler positiver Stundenwert Minimaler negativer Stundenwert IEWT Martin Boxleitner 8

9 Methodik - Optimierungsrahmen 8 Regionen festgelegt Regionale Optimierung Optimaler Mix innerhalb der Regionen Globale Optimierung Optimaler Mix für Österreich IEWT Martin Boxleitner 9

10 Methodik - Optimierungsmethoden Enumeration Kombinatorische Explosion Nichtlineares Optimierungsmodell Gute Ergebnisse; lokale vs. globales Optimum Monte-Carlo/MultiStart-Simulation IEWT Martin Boxleitner 10

11 Erzeugungsanteil 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Ergebnisse Regionale Optima Annahmen Erzeugungstechnologien: Windkraft und Photovoltaik Jede Technologie ist in der Lage volle energetische Deckung zu gewährleisten Regional optimale Erzeugungsmixe Region 1 Region 2 Region 3 Region 4 Region 5 Region 6 Region 7 Region 8 Überschuss intraday Wind-Anteil PV-Anteil Defizit intraday Überschuss intrayear Defizit intrayear 1,71-1,12 98,08-52,56 pos. Stundenwert neg. Stundenwert 3,85-1, IEWT Martin Boxleitner 11

12 Ergebnisse Ausgleichseffekte Idee: Lokal optimale Regionen verbinden Lokale Optima/lokale Mixe werden übernommen Regionale Gewichtung anhand der Last Gesamterzeugungsreihe für Österreich Vergleich mit regionalem Summenwert min. Überschuss. intraday Überschuss intraday Defizit intraday Überschuss intrayear Defizit intrayear pos. Stundenwert neg. Stundenwert regional 1,71-1,12 98,08-52,56 3,85-1 Verschaltung 1,56-1,08 95,12-50,72 3,35-0,99 Delta -8,31% -3,97% -3,02% -3,49% -13,12% -0,83% IEWT Martin Boxleitner 12

13 Ergebnisse Ausgleichseffekte IEWT Martin Boxleitner 13

14 Ergebnisse Ausgleichseffekte IEWT Martin Boxleitner 14

15 Erzeugungsanteil Ergebnisse Globales Optimum 25,00% Global optimaler Erzeugungsmix je Region und Technologie 20,00% 15,00% 10,00% Wind PV_30 Hydro 5,00% 0,00% Region 1 Region 2 Region 3 Region 4 Region 5 Region 6 Region 7 Region IEWT Martin Boxleitner 15

16 Erzeugungsanteil Ergebnisse Globales Optimum 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Global optimaler Erzeugungsmix je Region Speicher Erzeugung Min. Überschuss intraday = 0,32 * mittlerer Tagesbedarf IEWT Martin Boxleitner 16

17 Schlussfolgerungen und Ausblick Sehr unterschiedliche regionale Mix-Verhältnisse Verschaltung bringt Verbesserung Ausgleichseffekte: Geringerer Speicherbedarf Je größer das Gebiet, desto höher das Potenzial für Ausgleichseffekte globales Optimum Lastflussrechnung: Regionales Bilanzmodell Speicherbewirtschaftung IEWT Martin Boxleitner 17

18 Optimaler Erzeugungsmix für 100% regenerativen Strom in Österreich Dipl.-Ing. Martin Boxleitner Technische Universität Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe Tel.: +43 (0) Web: Das Projekt Super-4-Micro-Grid wird aus den Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms NEUE ENERGIEN 2020 durchgeführt.

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