Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke Szenarien bis 2020

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1 WEC-Workshop Die Energiewende Wandel der Infrastrukturen für die nachhaltige Energieversorgung ÖVE-Festsaal, 14 November 2012 Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke Szenarien bis 2020 Günther Brauner, TU Wien / 1

2 National Renewable Energy Action Plan NREAP 2020: wie until 2020 erreichen? Alle EU-Staaten gaben im Jahr 2010 Prognosen bis 2020 ab Entwicklung Wasserkraft, Wind, PV, Biomasse Ausbau der Speicher und Pumpspeicher Erreichen der vorgegebenen Zielwerte für EE an der Gesamtenergie Erreichen der Zielwerte im Bereich Elektrizität / 2

3 National Renewable Energy Action Plan, NREAP 2020, Electricity 2020 Hydro Geoth. PV CSP Wind Biomass RES- Electr. Austria 56,8% 0,0% 0,4% 0,0% 6,5% 6,9% 70,6% France 13,1% 0,1% 1,1% 0,2% 10,6% 3,1% 27,6% Germany 3,6% 0,3% 7,4% 0,0% 18,6% 8,8% 38,6% Italy 11,5% 1,8% 2,6% 0,5% 5,5% 5,1% 26,4% UK 1,7% 0,0% 0,6% 0,0% 20,8% 6,9% 31,0% Total EU-27 11,4% 136 GW 0,3% 2,6% 80 GW 0,6% 15,1% 180 GW 6,4% 36,71% Austria 2020: large hydro MW GWh small hydro < 10MW 1.091MW GWh pumping 4.285MW GWh geothermal 1MW 2 GWh photovoltaic 322 MW 306 GWh Wind onshore 2.578MW GWh biomass MW GWh / 3

4 NREAP EU-27 Erneuerbare Elektrizität: Leistung und Arbeit EU-27 erneuerbare Elektrizität in GW bzw. TWh 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 EU GW 2020 GW 2010 TWh2020 TWh biomass offshore wind onshore wind tidal and ocean energy solar CSP solar PV geothermal hydropower UCTE 2010: 420 GW, 2800 TWh pumped storage hydro / 4

5 NREAP EU-27: Anteil EE am Elektrizitätsbedarf 80 Anteil der EE an der Elektrizität in % EU-27 AT DE FR IT ES / 5

6 EE im Verhältnis zur Spitzenlast 2020 Laststeigerung bis 2020: 0%/a 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% EE-Spitzenleistung / Spitzenlast EU-27 AT DE FR IT ES biomass wind offshore wind onshore tidal hydro CSP PV Geothermal Hydro / 6

7 Anteil der fluktuierenden EE in % 120% Solar & Wind / Spitzenlast 100% 80% 60% 40% wind offshore wind onshore CSP PV 20% 0% EU-27 AT DE FR IT ES / 7

8 Energie- und Klimastrategie Deutschland (Auswahl) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland unter Berücksichtigung der europäischen und globalen Entwicklung. Leitszenario 2009 BMU / DLR 2009 IfnE (Zeithorizont bis 2050) Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. Leitszenario 2011 BMU / DLR Fh IWES IfnE 2012 (Zeithorizont bis 2050) dena-netzstudie II: Integration erneuerbarer Energien in die deutsche Stromversorgung im Zeitraum mit Ausblick (Zeithorizont bis 2020 / 2025) / 8

9 Elektrizität 2020 DENA II 2010 Leitszenario 2009 Leitszenario 2011 (Szen. A) VDE-Szenario AT40 Bedarfsänderung zu ,8 %/a -1 %/a -0,9 %/a 0 %/a EE-Anteil Inland 39% 34,5 % 41,4 % 40,3 % Bruttobedarf 560 TWh 564 TWh 603 TWh ohne Pumpspeicher EE 2020 GW TWh/a GW TWh/a GW TWh/a GW TWh/a Wasser 5,1 24,5 5,1 24,5 4,7 22,2 5,0 21 Wind 51,0 140,2 41,9 96,3 49,0 114, onshore 37,0 81,4 32,9 66,1 39,0 81, ,4 offshore 14,0 58,8 9,0 30,2 10,0 33, ,6 Photovoltaik 17,9 15,5 23, ,5 45, Biomasse 6,2 40,0 7,85 50,6 8,96 49, EE ges. Inland ,0 78,9 193,3 116,8 233, / 9 blaue Werte geschätzt

10 Netzausbauplanung 2009: neue Trassen geplant: km realisiert: 214 km 2011: Netzausbaubeschleunigungsgesetz geplant: km / 10

11 Netzentwicklungsplan Szenario B km Um- / Zusatzbeseilung 2800 km neue Leitungen auf bestehenden Trassen 1700 km neue AC-Leitunge 300 km AC auf DC umstellen 2100 km 4 neue DC Übertragungsleitungen (20 GW) Gesamtinvestitionen: 23 Mrd / 11

12 VDE-Studie: Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke Szenarien bis 2020 Autorenteam Bofinger, Brauner, Glaunsinger, John, Magin, Pyc, Schüler, Schulz, Schwing, Seydel, Steinke / 12

13 Autoren ETG-Task Force Flexibilisierung des Kraftwerksparks Univ.-Prof. Dr.-Ing. Günther Brauner, TU Wien (Leitung) Dipl.-Ing. Wolfgang Glaunsinger, VDE ETG Dipl.-Ing. Stefan Bofinger, IWES-Fraunhofer Dipl.-Ing. Markus John, ABB AG, Division Energietechnik-Systeme Dipl.-Ing. Wendelin Magin, ABB AG, Division Energietechnik-Systeme Dr.-Ing. Ireneusz Pyc, Siemens, Energy Sector, Technology und Innovation Dipl.-Ing. Steffen Schüler, Vattenfall Europe Dipl.-Ing. Stephan Schulz, 50Hertz Transmission GmbH Dr.-Ing. Ulrich Schwing, EnBW Kraftwerke AG Dr. sc. Philipp Seydel, EnBW Trading GmbH Dr. Florian Steinke, Siemens Corporate Technology / 13

14 VDE-Task-Force Flexibilisierung der thermischen Erzeugungskapazitäten Arbeits-Zeitraum Interdisziplinäre Experten-Plattform Ziel: Risiken der Energiewende durch Expertenforum mindern Bestehendes Energiesystem als Ausgangspunkt Möglichst viel EE integrieren bei geringen Aufwand und geringen Abhängigkeiten von anderen neuen Technologien Sicherheit durch Echtzeitanalyse der Regelfähigkeit (Echtzeit- GW anstelle von Langzeit-GWh) Einbindung aller relevanten Parteien: Wind, PV, Netzbetrieb, Kraftwerksbetrieb, Netzregelung, Stromhandel, Industrie, TU / 14

15 Szenarien/Modellrechnung Univ.-Prof. Dr. G. Brauner, TU Wien Dr. Ing. I. Pyc, Dr. rer. nat. F. Steinke, Siemens AG / 15

16 Fragestellungen: Im Netz muss jederzeit die Leistung aller Erzeugung der Leistung der Summe aller Verbraucher entsprechen. Wie sieht ein sicherer und stabiler Netzbetrieb bei überwiegend fluktuierenden Einspeisungen aus Wind und PV aus? Können alle thermischen Kraftwerke abgeschaltet werden und nur mit Wind und PV das Netz geregelt werden? Wie viel Energie kann wie lange gespeichert werden sind die Speicherkapazitäten nach Leistung und Energie ausreichend? Welche neuen Aufgaben kommen auf die thermischen Kraftwerke zu und wie können diese erfüllt werden? / 16

17 Kapazitäten und Erzeugung VDE AT 40 Szenario Erzeugung (TWh) Erzeugungskapazitäten (GW) 621 TWh 603 TWh GW EE 40 % GW EE 58 % KONV 60 % KONV 42 % Kernkraft Braunkohle Steinkohle Öl Dezentral Gas Wasserkraft Biomasse Wind offshore Wind onshore Solar / 17

18 Simulationsmodell Deutschland 2020 (Regionenmodell) / 18

19 Regionenmodell 2020 Berücksichtigen aller Kraftwerke Neueste Stilllegungsszenarien Pumpspeicherkapazitäten (Leistung und Volumen) Leitungskapazitäten zwischen den Regionen (summarisch) Simulation der Solarstrahlung und des Winddargebots anhand von regionalen Wetterzeitreihen (Wetterdienste) Ergebnis: Bestimmung des Verlaufs der Residuallast Ableitung Gradienten, Leistungen, Flautenzeiten Kraftwerkseinsatz / 19

20 Zeiten mit EE- Überschuss... Verfügbarkeitsfaktoren der PV - Anlagen gegenüber der Wind onshore-/offshore- Leistung in der Sommerzeit Gleichzeitige Leistungsspitzen Gleichzeitige Leistungsspitzen Quelle: Siemens CT T IAT ISC, IWES Die Daten liegen für alle 50x50km Zellen als stündlich aufgelöste Zeitreihen für vor. Sie wurden anhand von kommerziellen Wetterdaten und angenommenen PV-/Turbinenkennlinien zusammen mit dem Fraunhofer IWES errechnet. - Die einzelnen Ortszeitreihen gewichtet und gemittelt. Als Gewichtung wurden die 2020 Ausbauziele der EE der Bundesregierung angenommen. - Aus den resultierenden einzelnen Zeitreihen für Wind On-/Offshore und PV sind für die Mittagstunden (11-14h) der Monate Mai-August dargestellt / 20

21 ...und Zeiten mit EE-Mangel sind zu erwarten... Verfügbarkeitsfaktoren der PV - Anlagen gegenüber der Wind onshore-/offshore- Leistung in der Winterzeit Gleichzeitiger Leistungsmangel Gleichzeitiger Leistungsmangel Quelle: Siemens CT T IAT ISC, IWES Die Daten liegen für alle 50x50km Zellen als stündlich aufgelöste Zeitreihen für vor. Sie wurden anhand von kommerziellen Wetterdaten und angenommenen PV-/Turbinenkennlinien zusammen mit dem Fraunhofer IWES errechnet. - Die einzelnen Ortszeitreihen gewichtet und gemittelt. Als Gewichtung wurden die 2020 Ausbauziele der EE der Bundesregierung angenommen. - Aus den resultierenden einzelnen Zeitreihen für Wind On-/Offshore und PV sind für die Mittagstunden (11-14h) der Monate Dezember/Januar dargestellt / 21

22 2009 Hoher Anteil an Grundlast Kraftwerkseinsatz 2009 und 2020 (Simulation) (Beispielwochen im Januar und Juli für die Jahre 2009 & 2020) 2020 Grundlast wird verdrängt, dafür flexible Kraftwerke Nicht verwendete Überschussenergie: zu geringe Speicherkapazitäten im Netz! / 22

23 Gradienten der Residuallast Die stündlichen Gradienten haben heute bekannten Zuschnitt. Maximale 1h Gradienten steigen Erwartete tägliche Laständerungen erfordern eine disponierbare Kraftwerksleistung von 60 GW / 23

24 Konsequenzen für den Einsatz der thermischen Kraftwerke, VDE AT40RE Szenario Die Auswertung nach Lastbändern ergibt: Auch nach Merit - Order günstigste Kraftwerke müssen sich am Lastfolgebetrieb beteiligen Steinkohle- und Gaskraftwerke müssen sich auf häufige An- und Abfahrten, starke Lastwechsel und sinkende Volllaststunden einstellen / 24

25 Betriebliche Anforderungen an die konventionellen Kraftwerke und Möglichkeiten der Umsetzung bis 2020 Univ.-Prof. Dr. Günther Brauner, TU Wien Dr.-Ing. Ulrich Schwing, EnBW Kraftwerke AG / 25

26 Zukünftige Anforderungen an die thermischen Kraftwerke Gradientenfähigkeit ( Stop and Go ) Etwa doppelt so häufiges An- und Abfahren Hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich Niedrige Mindestlast / 26

27 Erzeugungsgradienten von Wind und PV in Deutschland (Ergebnis VDE AT 40 Szenario) installierte Leistung 1h-Gradient 3h-Gradient Onshore Wind 42 GW 4 GW/h 2,5 GW/h Offshore Wind 16 GW 3 GW/h 2 GW/h Photovoltaik 60 GW 12 GW/h 8 GW/h Planerischer Maximalgradient 15 GW/h 10 GW/h / 27

28 Leistungsgradienten von thermischen Kraftwerken 1 stand alone GT P/P n GuD flexibel GuD Standard Kohle- KW Kohle 0 Start h t / 28

29 Das Potential der heutigen thermischen Kraftwerke Kraftwerkstyp Steinkohle Braunkohle Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) Gasturbine solo Lastgradient %P N /min 1,5 / 4 / 6 1 / 2,5 / 4 2 / 4 / 8 8 / 12 / 15 im Bereich %P N *) *) - 90 Minimallast %P N 40 / 25/ / 50 / / 40 / / 40 / 20 Anfahrzeiten Anforderungen: Niedrige Minimallast Hohe Lastgradienten Kurze Anfahrzeiten Heiß (< 8 h) h 3 / 2,5 / 2 6 / 4 / 2 1,5 / 1 / 0,5 < 0,1 Kalt (> 48 h) h 10 / 5 / 4 10 / 8 / 6 4 / 3 / 2 < 0,1 Lesehinweis: heute üblich / Stand der Technik / Optimierungspotential Alle thermischen Kraftwerke sind grundsätzlich geeignet zur Lösung der zukünftigen Aufgaben beizutragen / 29

30 Handlungsbedarf bis 2020 bei unzureichendem Speicher- und Netzausbau Univ.-Prof. Dr. Günther Brauner, TU Wien / 30

31 Speicher (Pumpspeicher) Speicher sind ideal für die Erneuerbare Energieversorgung (EE) Energieaufnahme und abgabe (Pump- und Turbinenbetrieb) Hohe Wirkungsgrade (80 %) Rascher Einsatz (Anfahren in weniger als einer Minute) Nachhaltig (zero emission) Autobatterien und stationäre Batterien bis 2020 nicht betrachtet Neubau von Speichern (Talsperre) teuer, daher überwiegend nur Erweiterung bestehender Speicher mit größeren Maschinen Anforderungen an Speicher bis 2020 Pump- und Turbinenleistung in der Größenordnung der zu erwartenden Überschussleistung aus EE Speichervolumina in der Größenordnung der längsten Perioden mit Überschuss oder Mangel an EE / 31

32 Pumpspeicher Goldisthal / Thüringen /Vattenfall 1060 MW, 9000 MWh, 302 m, 12 Mio m 3 Lade- bzw. Entladezeit: 8 h / 32

33 Pumpspeicherleistungen in der EU bis ,00 35,00 Pumpspeicher-Leistung in % EE EU-27 34,8 30,00 Pumpspeicher-Leistung in GW 27,3 25,00 23,4 20,00 18,7 15,00 10,00 10,7 9,3 7,6 7,3 5,00 0, bezogen auf EE (NREAP) / 33

34 Pumpspeicherleistungen in DE bis ,00 14,00 12,00 14,4 DE 12,1 Pumpspeicher-Leistung in % EE Pumpspeicher-Leistung in GW 10,00 8,00 7,8 6,5 6,5 7,1 7,9 6,00 4,00 4,0 2,00 0, / 34 % bezogen auf EE (NREAP) 7,1 % % bezogen auf VDE AT40: 6,1 %

35 Erzeugungssituation bis 2020 EE-Leistung bis Lastspitze, 1 der EE muss abgeregelt werden. Thermische Kraftwerke können Ausgleichsenergie bereitstellen. Pumpspeicher zur Optimierung der Gradienten möglich. 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Lastgang 3. Mi. 21.Jun 21.Dez Residuallast KW abfahren Residuallast KW anfahren / 35

36 Erzeugungssituation nach 2020 EE-Leistung deutlich über Lastspitze. Thermische Kraftwerke können teilw. Ausgleichsenergie bereitstellen. Pumpspeicher zum Energieausgleich dringend erforderlich. 2,5 2 Last Erzeugung 1,5 1 0, / 36

37 Anforderungen an die Lastwechselfähigkeit 2020 Alle thermischen Kraftwerke sind grundsätzlich geeignet zur Lösung der zukünftigen Aufgaben beizutragen Um gleiche Leistungsgradienten abzufahren, werden wenige schnelle oder viele langsame Kraftwerke benötigt Nachteile langsamer Kraftwerke: mehr stand-by-energie in Bereitschaft Lebensdauerverbrauch für Bestandsanlagen wird sich durch Reduktion der Volllaststunden reduzieren (DKW ~ h), aber durch höhere und häufigere Gradienten erhöhen Neue Bewertung der Bauteilerschöpfung nötig Kraftwerksleistung im Regeleinsatz 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00-67 % 3 %/min 2 %/min 1 %/min schnell langsam Regelfähigkeit der Kraftwerke 5 GW/h 10 GW/h 15 GW/h / 37

38 Thermische Erzeugungskosten 2020 mit CO2-Zertifikaten (24 /t CO2) /kwh (Vollkosten) 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Bereich 2020 Kohlekraftwerk Gas-Kombikraftwerk Volllaststunden Bereich / 38

39 Kostenvergleich von Speichertechnologien bei 2000 Volllaststunden (Pumpspeicher: je 2000 h in Pump- und Turbinenbetrieb) /kwh (Vollkosten) GuD- Speicher- Kohle-KW CCPP PHS SPP D-AES A-AES RED H2 & FC Anlagentyp CCPP combined cycle PP PHS pumped hydro storage SPP steam power plant D-AES diabatic air energy strorage A-AES adiabatic air energy storage RED redox battery H2&FC hydrogen & fuel cell bis 2020 kein ausreichendes Potenzial / 39

40 Präsentation Kaprun: Limberg II Pumpspeicher 2 x 80 Mio. m MWh Pump-Turbinen 2x240MW Lade- / Enladezeit: 150 Stunden 376 m / 40

41 Pumpspeicherleistungen in AT bis 2020 (NREAP) 45,00 40,00 35,00 AT 40,9 40,6 Pumpspeicher-Leistung in % EE Pumpspeicher-Leistung in GW 36,4 32,5 30,00 25,00 20,00 15,00 Kein Ausbau bis 2020 geplant 10,00 5,00 0,00 3,9 4,3 4,3 4, / 41

42 Erzeugungsgradienten von Wind und PV in Österreich 2020 (Überschlagsrechnung) installierte Leistung 1h-Gradient 3h-Gradient Onshore Wind 2,5 GW 0,25 GW/h 0,15 GW/h Offshore Wind 0 GW 0 GW/h 0 GW/h Photovoltaik 1,5 GW 0,3 GW/h 0,2 GW/h Planerischer Maximalgradient 0,5 GW/h 0,3 GW/h / 42

43 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr. Günther Brauner TU Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe Gusshausstrasse 25/370-1, 1040 Wien Tel.: , Fax: brauner@ea.tuwien.ac.at / 43