Die Energiewende und die Rolle fossiler Kraftwerke

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1 Die Energiewende und die Rolle fossiler Kraftwerke Dr. Lars Wiese, E.ON Kraftwerker Leibnitz Universität Hannover, Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) Ringvorlesung Transformation des Energiesystems

2 Installierte Leistung in GW Deutlicher Ausbau der fluktuierenden Einspeisung Anteil der Brutto-Stromerzeugung 24 % EEG 76 % Freier Markt Wind Solar % EEG 23 38% installierte Leistung in D PV 13: 35,9 GW 30,0 TWh % EEG 33 Wind 13: 34,7 GW 53,4 TWh 0 Netz Entwicklungsplan 13.2: 23 > 0 GW in volatil einspeisenden EE > 50% der installierten Leistung 2 Quellen: NEP13.2; AGEB; AGEE-Stat; BMWi Energiedaten; UBA

3 Ausgewählte aktuelle Tagesganglinien 80 GW Mittwoch Hohe Netzlast Hohe Residuallast Tag mit max. Residuallast h Freitag Hohe Netzlast Hohe flukt. Einspeisung PV Wind Konventionelle Erzeugung Tag mit max. Erzeugung aus Wind + PV Samstag Geringe Netzlast Hohe flukt. Einspeisung Tag mit sehr geringer Residualarbeit 0 12 h 0 12 h Ist-Zustand: Netzlastspitze am Mittag wird durch PV-Erzeugung gedeckt Zu den Mittagszeiten muss die konv. Erzeugung bereits leicht zurückgefahren werden Dennoch nahezu volle Kapazitäten in konv. Erzeugung benötigt 3

4 Zunahme der EE-Erzeugung reduziert Preise am Strommarkt Preis ( /MWh) EEG-Vergütung (Jahresdurchschnitt) Netzlast Grenzkosten Marktpreis Deckungsbeiträge EEG-Strom KWK-Anlage Kernenergie Braunkohle Steinkohle Gas Moderne GuD GT (Gas/Öl) Leistung in MW Geringere Ertragsmöglichkeiten für konventionelle Kraftwerke weniger Betriebsstunden/Jahr bei niedrigeren Marktpreisen Wegfall der Mittagspreisspitze (durch PV) KWK-Anlagen sehen Zwangseinsätze mit Verlusten auf der Stromseite 4 * Vereinfachte schematische Darstellung

5 Entwicklung Strompreissignal gibt Entwicklungslinien vor /MWh h Verfügbarkeit zu Zeiten hoher Preise wichtig für wirtschaftlichen Erfolg

6 Heutige Flexibilitätsbringer: Steinkohlekraftwerke GW Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept 13 Okt Nov Dez /MWh Gas 5 Konv. Erzeugung > 0 MW Wind Solar Phelix Steinkohle GW 8 GW Braunkohle 15 5 Kernenergie 5 Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Monatsgemittelte 6 Tagesgänge der Erzeugung / Preise Angepasst nach: Frauenhofer ISE Stromproduktion aus Solar- und Windenergie 13, Preisdaten: EEX

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8 Einfluss der CO 2 -Zertifikatspreise Preis ( /MWh) EEG-Vergütung (Jahresdurchschnitt) Netzlast Grenzkosten EEG-Strom Braunkohle Steinkohle Gas Moderne GuD KWK-Anlage GT (Gas/Öl) Leistung in MW 8 Preisanstieg der CO 2 -Zertifikatspreisanstiegt führt zu: Preisanstieg für Käufer die auf Residuallast zurückgreifen müssen Senkung der durchschnittlichen Deckungsbeiträge da Kosten nur durchgereicht werden Vermutlich wesentliche Rückkopplungen auf Kraftwerkspark und ggf. Brennstoffpreise (Gasmarkt!) * Vereinfachte schematische Darstellung

9 Lineare Berechnung der EE Einspeisung gem. NEP 13.2 A 80 GW GW t 0 12 t 0 12 t ca. 23 PV Wind Konventionelle Erzeugung > 0 MW Mi., Do., So., Tag mit max. Residuallast Tag mit max. Erzeugung aus Wind + PV + GW + 21 GW - GW Tag mit sehr geringer Residualarbeit t 0 12 t 0 12 t 9 *) Skalierungen gemäß NEP Entwurf Szenario 23A, ca. 50% des Zubaus Wind ist Offshore; GW Zahlen zeigen zugebaute Kapazitäten an

10 3 x Lösungen zur Anpassung von Erzeugung und Bedarf NEP Ziel: 23 mehr als 0 GW volatil einspeisender EE Bei Überdeckung der Netzlast: Export, Regelung oder Speicherung Exportkapazitäten wegen Kupplungsleistungen und ebenfalls Zubau an EE vermutlich beschränkt Runterregelung der EE: EEG-Vergütung & CO 2 -freie Erzeugung ungenutzt Regelung verbrauchsseite (DSM): heute noch früher Technologiestatus GW Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez

11 Nächste Dekade: disponible KW tragen Energiewende 22 mehr als 0 GW volatil einspeisender EE am Netz geplant Bei Überdeckung der Netzlast: Export, Regelung oder Speicherung Exportkapazitäten wegen Kupplungsleistungen und ebenfalls Zubau an EE vermutlich beschränkt Runterregelung der EE: EEG-Vergütung & CO 2 -freie Erzeugung ungenutzt Regelung verbrauchsseite (DSM): heute noch früher Technologiestatus Speicherung der volatilen Einspeisung 1) Pumpspeicher: 6 GW installiert, weiterer Ausbau jedoch begrenzt 2) Druckluftspeicher: Annahme 3 x 500MW in Norddeutschland bis 22 mgl. 3) Power2Gas : erste Pilotanalgen im Bau, noch keine kommerzielle Reife 4) E-Mobilitität: ~1Mio, kwh Batterie, % / 60% zum ent/beladen 5 GW Speicherpotenzial Speicherpotenial 22 << als geplante 0GW EE 11

12 Disponible Kraftwerke reduzieren Zeitdruck beim Netzausbau Netzdienstleistungen konv. KW Frequenzhaltung durch Regelenergie (PR/SR/MR) Aber: Volumen Regelenergie = 1/30 des Strommarktes Blindleistungskompensation Schwarzstartfähigkeit Redispatch (N-1)-Sicherheit Bisherige Erzeugung rel. Verbrauchsnah geplant EE Zubauplanung ist verbrauchsunabhängig Netzausbau benötigt Beispiel aus Studie der 4 ÜBN n-1-sicherheitsprüfung ergibt +153% Redispatch zur Entlastung 800 MW

13 (Mögliche) Kennwerte von thermischen Kraftwerken* DWR (GER) SK GuD (1+1) Nennleistung P Nenn bis MW 800 MW 400 MW Laständerungen im Mittlerer Lastgradient %/min von 80 0% 3 6%/min 4 6%/min Lastfolgebetrieb in %/min von P Nenn " 5%/min von 50 80% von von 2%/min von 50%" 40 0% 40 0% Sekundärregelung % von P Nenn 60 0% 40 0% 50 0% Minimallast % von P Nenn 40 55% 40% 40 50% Wirkungsgrad (@0%) % 32 35% 45 47% 60 61% Wirkungsgrad (@50 %) % 33 34% 42 44% 54 57% Block-Anfahrtzeit nach Heißstart <8h 60 1min min 30 60min Stillstand Warmstart <48h 2-3h 3 5h 1 1,5h Kaltstart <1h 15 h 5 h 2 3h *Quelle: Weltenergierat Deutschland e.v. Energie für Deutschland 11 13

14 4 x Stärkung der Flexibilität konventioneller Kraftwerke Leistung MW Lebensdauerverbrauch Max. Min. 0 Mindestlast absenken: kurzfristige Perioden überbrücken, Vermeidung von Anfahrkosten, Möglichkeiten zum kurzfristigen Ausgleich von EE-Prognosefehlern Start-Zeit & -Kosten verringern: Vermeidung von Verlusten, Flexiblerer Einsatz (ggf. Intraday gest. Start) Lastrampen steigern: Besonders aus Mindestlast kommend, Regelleistungssteigerung

15 Und was heißt das im Kraftwerk vor Ort? Wegfall der Gewinnmarge -> Sparen, sparen, sparen bei beinflussbaren Kosten wie Wartung, Reparatur - Instandhaltung bei Versagen und Verschleiß - Reparatur im Betrieb - Ausfall auch gewinnsteigernder Maßnahmen Outsourcing bis hin zu Personalabbau Flexible, vielseitig arbeitende Mitarbeiter Technische Herausforderungen Neubewertung von Sicherheitsfaktoren und Lebenszeit Hinterfragen von Betriebsanweisungen und erfahrung Ersatzbrennstoffe und Brennstoffband Dehnung von Prüfintervallen Neue technische Lösungen

16 Kohlekraft als Brückentechnologie in stürmischen Zeiten 16 Fragen, Kommentare, Anregungen?