Rupert Rompel Brodersby 21. Mai 2016

Transkript

1 Rupert Rompel Brodersby 21. Mai 2016

2

3 Das Netz Wir brauchen keine Atomkraftwerke, bei uns kommt der Strom aus der Steckdose!

4 Umspannwerk 2 Umspannwerk 1 Verbraucher Kraftwerk 2 Kraftwerk 1 Das Strahlennetz mit zentraler Einspeisung Kraftwerk 3

5 EE-Einspeiser 2 EE-Einspeiser 4 EE-Einspeiser 5 EE-Einspeiser 1 Umspannwerk 2 Umspannwerk 1 EE-Einspeiser 3 Verbraucher Kraftwerk 2 Kraftwerk 1 Das Strahlennetz mit dezentraler Einspeisung Kraftwerk 3 EE-Einspeiser 6

6 Grundregel 1 der Stromversorgung Erzeugung = Verbrauch

7 Grundregel 2 der Stromversorgung 50 Hz = konstant!!!

8 Grundregel Kraftwerk 3 Kraftwerk H z 50 Hz Netz Kraftwerk H z 50 Hz Netz 5 1 H z 50 Hz

9 Grundregel Netze überlastet 5 1 H z 51 Hz 52 Hz 49 Hz

10 Negative Regelenergie Grundregel Netze überlastet und instabil 5 1 H z 51 Hz 52 Hz 49 Hz Regelenergie Positive Regelenergie

11 Frequenzhaltung im Netz Frequenz Aktion Summenlast Aktivierungsa rt 49,8 Hz Aktivierung von Leistungsrese rven unverzögert und Abwurf von Speicherpum pen (t<10s) Manuell / Automatisch 49,2 Hz Abwurf von Speicherpum pen unverzögert Automatisch 49,0 Hz Lastabwurf Stufe 1, ca. 12,5 % ca. 12,5 % Automatisch 48,8 Hz Lastabwurf Stufe 2, ca. 12,5 % ca. 25,0 % Automatisch 48,6 Hz Lastabwurf Stufe 3, ca. 12,5 % ca. 37,5 % Automatisch 48,4 Hz Lastabwurf Stufe 4, ca. 12,5 % ca. 50,0 % Automatisch 47,5 Hz Trennung der Kraftwerke vom Netz Automatisch

12 Das deutsche Hochspannungsnetz im Jahr 2001 Kernkraftwerke

13 Das deutsche Hochspannungs-Netz im Jahr Zubau durch b Offshore- Windparks 2021 Das deutsche Hochspannungsnetz im Jahr 2001 Kernkraftwerke mit Stilllegungsdatum

14 Konsequenzen aus den Veränderungen im HS-Netz zwischen 2001 und 2016 Gemeinde A Gemeinde B Gemeinde C 200 L Zufluss/ Erzeugung 200 L 50 L 50 L max. 50 L max. Verbrauch 150 L 150 L 150 L

15 Konsequenzen aus den Veränderungen zwischen 2001 und L? Gemeinde Bayern A 200 L Gemeinde B 50 L Schleswig-Holstein Gemeinde C 200 L +150 L 50 L max. 50 L max. 300 L 150 L 150 L Süd-Link 150 L max.

16 Quelle: Bundesnetzagentur

17 HGÜ-Trassenplanung u.a. Südlink mit teilweiser Erdverkabelung Quelle: Bundesnetzagentur

18 Installierte Leistung Tatsächliche Leistung Kumulierte Leistung ca. 24% Installierte Leistung Tatsächliche Leistung Kumulierte Leistung ca.11 %

19 Konventionelle Kraftwerke: Installierte Leistung = Dauerleistung Solar- und Windkraftwerke: Dauerleistung = 1/10 (Solar) bis 1/4 (Wind) der installierten Leistung (unter deutschen Wetterbedingungen)

20 Mio. Euro Kosten in Mio. Euro (geschätzt) Dauer und Kosten der Redispatchmaßnahmen Einsatzstunden Datenreihen1 Datenreihen h Quelle: Bundesnetzagentur

21 149 Mio. 400 Mill Euro Entschädigungszahlungen für EinsMan-Maßnahmen in Millionen Euro 1. Hj Hj Quelle: Bundesnetzagentur

22 Monetäre Entwicklung des grenzüberschreitenden Stromhandels Export: 36,98 /MWh Seite 145 Import: 39,07 /MWh 26,95 x 10 6 MWh x 2 /MWh = 53,9 Mio. verschenkt (2013) 69,6 Mio. verschenkt (2012) Quelle: Bundesnetzagentur

23 Gegenwärtige Zusammensetzung des Strompreises Entwicklung EEG-Umlage Quelle: Bundesnetzagentur

24 Kosten der Integration von EE-Anlagen für Ausbau der Stromnetze Investition gem. NEP 2013 für die nächsten 4 Jahre Onshore 16 Mrd. Euro Offshore 19 Mrd. Euro d.h. Onshore jährlich 1,6 Mrd. Euro Offshore 2,4 Mrd. Euro d.h. ca. 10% weiterer Anstieg der Netzentgelte von 7,07 auf 7,8 Cent/kWh

25 Was kann man tun?

26 Eine Lösung: Speicherung der Spitzenerträge Quelle: SMA

27 Quelle: SMA

28 Speicher für elektrische Energie Speicherung Elektrisch Chemisch Mechanisch Thermisch Kondensator Supraleiter Akkumulator Schwungrad Kohlenwasserstoffe Pumpspeicher Latent- Wärmespeicher

29 Kapazitäten Wirkungsgrad 95 %

30 Blei-Akkus und Redox-Flow-Systeme Wirkungsgrad 65 % Wirkungsgrad 70 % 65 %

31 Power to Gas (P2G) Wirkungsgrad 40 70% je nach Endprodukt Pilotanlage Falkenhagen Alkalischer Elektrolyseur Leistung: 2 MW elektrisch, 360 m 3 /h H 2 Einspeisung zu 2% in Erdgasnetz Baukosten: ca Euro/kW

32 Deutsches Gas-Fernleitungsnetz Deutsches Verbundnetz

33 Mechanisch Wirkungsgrad 90% Gyro-Bus der Züricher Verkehrsbetriebe Während des 2. Weltkriegs wegen Ölknappheit entwickelt.

34 Pumpspeicherwerk Goldisthal Wirkungsgrad 75 % Elektrische Leistung MW Fallhöhe 302 m Abwassereinleitung 103 m 3 /s Nutzvolumen 12 Millionen m³ Fläche Volllastbetrieb Max. speicherbar Baukosten: Bauzeit: 55 ha 8 Stunden 8,5 GWh 623 Mio. Euro ca. 18 Jahre

35 Pumpspeicherwerk Atdorf (Schwarzwald) derzeit im Anhörungsverfahren Elektrische Leistung Max. speicherbar MW 13 GWh Baukosten: Bauzeit: Mio. Euro vermutlich 15 Jahre Planungsstart: 2010

36 Latent-Wärmespeicher (Power-to-Heat) Wirkungsgrad % je nach Endprodukt und Anlagentyp L/B/H: 6,06 m/2,44 m/2,60 m Gewicht (ohne Trailer): ca. 29 t Speichermaterial: Natriumacetat, ca. 17 m³ Wärmeinhalt: ca. 2,5 MWh Temperatur voll/ leer: 100 C / 30 C Beladedauer: Entladedauer: 6-8 Stunden Stunden

37 Optimierung, aber wie? Leistung Speicherbare Arbeit (Energieinhalt) Gewicht Abmessungen Energiedichte (Wh/kg) Hochstrombelastbarkeit Wirkungsgrad Einsatzdauer (Sekunden bis Tage) Verfügbarkeit, Ansprechzeit Lebensdauer (Zyklenfestigkeit) Temperaturbereich Umweltverträglichkeit, Sicherheit Investitions- und Amortisationskosten Wartungskosten

38 Lassen sich durch Verwendung von Speichern Investitionen in Erzeugungs- und Übertragungseinheiten einsparen? Prinzipiell ja, vor allem im häuslichen Systemverbund PV mit Akku im kwh-bereich Im Mittelspannungsbereich durch Integration in Regionalnetze (z.b. Pellworm, 12P2G) im MWh-Bereich Im Hochspannungsbereich derzeit nur durch leistungsfähige Pumpspeicherkraftwerke sinnvoll im GWh-Bereich darstellbar (z.b. Nordlink, Goldistal)

39 Pellworm PV- Anlage mit Redox-Flow- und Li-Ion-Akkus

40 Die Erzeuger PV-Nennleistung: 2989 kw, Nutzungsgrad 11% Wind-Nennleistung: 6025 kw, Nutzungsgrad 23% Biomasse-Nennleistung: 1060 kw, Nutzungsgrad 47% Längste gemessene Flautedauer: 74 Stunden Gesamterzeugung pro Jahr: ca MWh/a Anbindung: 2 Seekabel (20kV) Die Speicher Li-Ion-Batterien: 560 kwh Redox-Flow-Batterie: 1200 kwh 11 Li-Ion-Haushaltsspeicher: 80 kwh Die Verbraucher Fläche: 37,44 km² Einwohner: ca Haushalte: ca. 650 Wirtschaft: Tourismus (ca Betten) Landwirtschaft : ca. 50 Landwirte Verbrauch: ca MWh/a Verbrauch/Tag: ca. 810 kwh/d

41 Daten vom :00 Uhr Wind 2 Bft Sonne 30 W/m 2 Verbrauch Erzeugung Wind Sonne Biogas Speicherung Zufluss von Land 944 kw 581 kw 0 kw 88 kw 493 kw 61 kw 424 kw!

42 Daten vom :15 Uhr Wind 4 Bft Sonne 0,58 W/m 2 Verbrauch Erzeugung Wind Sonne Biogas Speicherung Zufluss zum Land 901 kw 5510 kw 5009 kw 0 kw 501 kw 11,8 kw 4596 kw!

43 HGÜ-Kabel Nordlink Kapazität: 1400 MW Länge: 623 km Fertigstellung: 2020 Kosten: 1,5 2 Milliarden Euro

44 Netzgebundene Speicherkapazität weltweit Anteil und Zubau netzgebundener Energiespeicher weltweit bis 2015 (gesamt 145 GW, 01/2015) Jährl. Wachstum (Mittel d. letzten 5 Jahre) in % LiB Ultra-Caps Flow-B Pb-B P2G Thermisch Logarithmischer Maßstab!!! Ni-B Na-S B Druckluft Schwungrad Pumpspeicher Anteil installierter Energiespeicher in % Quelle: Fraunhofer-Institut

45 Gesamt Pumpspeicher Thermisch Schwungrad Druckluft Li-Batt. Na-Batt. Pb-Batt. Ni-Batt. Ultra Caps Flow Batt. Logarithmischer Maßstab!!! Wasserstoff Welt Deutschland Megawatt Quelle: Fraunhofer-Institut

46 Gesamt-Pumpspeichervolumen Deutschland: ca. 40 GWh Mittagsverbrauch am 17. September 2015: ca. 80 GW In einer halben Stunde sind alle derzeitigen deutschen Pump-Speicher leer!!!

47 Ein Gedankenexperiment: nur mal so zur Veranschaulichung! Goldisthal Wasservolumen: 12 Mill. m 3 Energieinhalt : 8,5 GWh Plöner See Wasservolumen: 384 Mill. m 3 theor. Energieinhalt : 272 GWh Gesamt-Stromverbrauch Deutschland im Jahr 2015: Mittl. Tagesverbrauch im Jahr 2015: Das entspricht: GWh GWh 6 x Plöner See/Tag Dazu müssten allerdings die 6 Plöner Seen auf 320 m Höhe angehoben werden!! Und woher nehmen wir die Energie, um am nächsten Tag die 6 Plöner Seen wieder aufzufüllen?

48 Ganz nebenbei: Goldisthal Wasservolumen: 12 Mill. m 3 Energieinhalt : 8,5 GWh Mittl. Tagesverbrauch im Jahr 2015: Das entspricht: GWh 192 x Goldistal/Tag 192 x 632 Mio. Euro Baukosten = 121 Milliarden Euro Wo bauen wir weitere 191 Goldistal hin?

49 Speicherung in Blei-Akkus Gängiger Auto-Akku 12 V, 80 Ah Energieinhalt ~ 1kWh, Gewicht 25 kg, ca ,635 x Wh : 1 x 10 3 Wh x 25 kg = 40 x 10 9 kg = 40 Mio. Tonnen = Güterzüge à Tonnen = Güterzüge à m Länge = Entfernung Nordkap (Norwegen) bis Kongo (Afrika) 1,635 x Wh : 1x 10 3 Wh x 100 = 160 Milliarden Euro Bleianteil 70 % = 5 x Welt-Jahresproduktion

50 Und noch ein Gedankenexperiment! Quelle: Bundesverband Windenergie Notwendige Durchschnittsleistung Deutschland (heute) 68 GW, davon 80% (2050) = 54,4 GW Installierte Wind-Gesamtleistung in Deutschland (2015) 41,6 GW =10,4 GW Dauerleistung D.h. wir benötigen noch Windräder in Deutschland, um dieses Ziel zu erreichen!!!

51 Und noch eine letzte Überlegung Wenn wir im Jahr 2050 bei 3 Tagen Windstille Pellworm! bewölktem Himmel karbonfreier Reservekapazität trotzdem noch 54,4 GW Leistung benötigen? 3 Tage x 24 h x 54,4 GW = GWh 3916 GWh : 8,5 GWh (Goldistal) = 460-mal (auf 320 m)!!! 460 x 0,55 km 2 (Goldistal) = 253 km 2 = 8-mal Steinhuder Meer (320 m!) Bauzeit Goldisthal insgesamt 18 Jahre Oder wir hoffen, dass uns unsere europäischen Nachbarn mit ihren konventionellen Kraftwerken aushelfen!

52 Was könnte (müsste) verbessert werden beim Übergang von konventioneller zu regenerativer Stromerzeugung? - Strikte Synchronisation von Erzeugung, Transport und Speicherung - Bundeseinheitliche Durchsetzung der Planungsrichtlinien - Regulatorischen Wildwuchs entrümpeln - Abstimmung mit den europäischen Nachbarn - Keine ideologischen, mehr technologische und ökonomische Zielkorridore - Kostenoptimierung und Technologieneutralität für das Gesamtsystem - Planung im Konsens zwischen Investoren und Bürgern - Plausibilität des Gesamtsystems überprüfen

53

54

55 BMWi-Förderprogramm "Schaufenster intelligente Energie - Digitale Agenda für die Energiewende" (SINTEG) "NEW 4.0: Norddeutsche EnergieWende" Das Schaufenster "NEW 4.0" besteht aus Hamburg als großem Energieverbrauchszentrum und Schleswig-Holstein als bedeutendem Windenergie-Erzeugungszentrum. Das Schaufenster will aufzeigen, dass die Gesamtregion bereits 2025 sicher und zuverlässig mit 70 Prozent regenerativer Energie versorgt werden kann. Hierfür sollen Erzeugung und Verbrauch mittels modernster Technologien und weiterentwickelter Marktregeln optimal aufeinander abgestimmt werden. Ziel ist insbesondere ein effizienter Umgang mit lokalen Stromüberschüssen. Im Rahmen einer Doppelstrategie sollen regionale Abregelungen von Windenergieanlagen einerseits durch einen verbesserten Stromexport in andere Regionen reduziert werden. Gleichzeitig soll die energetische Nutzung vor Ort durch geeignete Flexibilitätskonzepte gesteigert werden. Die Flexibilisierung soll insbesondere durch eine Regelung des Verbrauchs über Lastmanagement, Speicher und Sektorenkopplung erreicht werden. Verstärkte Flexibilisierung soll auch die durch konventionelle Kraftwerke abzudeckende Last bei geringer regenerativer Erzeugung reduzieren

56

57 Quelle: DESERTEC

58

59 Quelle: DESERTEC

60 Energiedichte und Kosten von Speichersystemen LIB RFB PbB /kwh /kwh /kwh Latenzspeicher /kwh Pumpspeicher 70 /kwh Schwungradspeicher 5000 /kwh