Ist die Energiewende möglich?

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1 Energie- Prof. Dr. Anton Gunzinger Verwaltungsratspräsident SCS AG Lehrbeauftragter an der ETH Zürich für Computer System Architektur Prof. Dr. Anton Gunzinger hat mit seinem revolutionären Supercomputer die IT- Welt der 90er-Jahre international in Aufregung versetzt. Aufgrund dieses Erfolges gründete er 1993 die Firma Supercomputing Systems AG (SCS), die Entwicklung und Vermarktung von Supercomputern zum Ziel hatte. Im Laufe der Zeit hat sich das Unternehmen zu einem Dienstleitungsbetrieb gewandelt. Heute entwickelt SCS mit rund 80 IngenieurInnen kundenspezifische Produkte in den Bereichen Multimedia, Hochleistungsrechner, Sensorik, uwm. für eine internationale Kundschaft. «Ist die Energiewende möglich?» Ist die Energiewende möglich? Prof. Dr. Anton Gunzinger Supercomputing Systems AG Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zürich Tel Fax info@scs.ch Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 1

2 Kann sich die Schweiz mit Strom aus nur erneuerbaren Energien selbst versorgen? Realisation einer Simulationsumgebung für die Elektrizitätswirtschaft Schweiz mit Untersuchung: 1. Energiebilanz 2. Leistungsbilanz 3. Volkswirtschaftlichen Kosten 4. Stromhandel 5. Netz Simulation möglicher Szenarien: 1. «Weiter Wie Bisher» 2. Neue Kernenergie 3. Energieszenarien des Bundes 4. Nur Photovoltaik 5. Energieszenarien mit 100% erneuerbarer Energie 6. dezentrale Speicherung 7. Lastverschiebung 44 Zürich by Supercomputing Systems AG Simulationssystem Wetter (t) Produktion Thermische Kraftwerke E Thermisch P Thermisch Gaskraftwerke (GuD) E GuD P GuD (t) Biomasse E Biomasse P Biomasse Laufwasser- Kraftwerke E Laufwasser P Laufwasser Kernkraft E Kern P Kern Geothermie E Geothermie P Geothermie Photovoltaik E Photo (t) P Photo (t) Wind E Wind (t) P Wind (t) Import Verlustbehaftetes Netz (Transport & Transformation) Export Kurzzeit- Speicher E Kurzzeit (t) P Kurzzeit (t) Speicher- Kraftwerk E Speicher (t) P Speicher (t) Verbraucher E Verbrauch P Verbrauch (t) Regelbare Last E Regelbar (t) P Regelbar (t) Speicher Konsum 45 Zürich by Supercomputing Systems AG 2

3 Grundlagen für alle Simulationen Gleicher Energieverbrauch (60 TWh/a) wie 2010 Verbrauchsstatistik 2010 (Zeitauflösung 15 ): swissgrid Produktionsstatistik 2010 (Zeitauflösung 1 Tag 1 Woche): Bundesamt für Energie und swissnuclear Speicherseen Füllgrad-Statistik 2010 (Zeitauflösung 1 Woche): Bundesamt für Energie Solar/Wind-Statistik CH (Jahresverlauf mit Zeitauflösung 1 ): meteonorm (40 Standorte für PV: 20 in Städten, 20 auf Bergen; 20 Standorte für Wind) Ausbau Speicherseen auf 10 TWh wie geplant Ausbau Pumpspeicherwerke auf 5GW/ 200 GWh wie geplant Abschätzung Netzverluste, Speicherverluste Pumpspeicherwerke, Speicherverluste lokale Speicherung Abschätzung Netzbelastung 46 Zürich by Supercomputing Systems AG Jährliche Globalstrahlung 47 Zürich by Supercomputing Systems AG 3

4 Monatliche Globalstrahlung Monatliche Sonneneinstrahlung (Städte) Monatliche Sonneneinstrahlung (Berge) Globalstrahlung (kwh/m 2 ) Zürich 100 Bern Basel 80 Chur Lugano 60 Zermatt Poschiavo 40 Lausanne Andermatt 20 Samedan El Oued (Sahara) 0 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monat Globalstrahlung (kwh/m 2 ) Dufourspitze 100 Finsteraarhorn Combin de Valsorey 80 Titlis Piz Palü 60 Adula (Rheinwaldhorn) Piz Buin 40 Nesthorn Cardada 20 Tödi El Oued (Sahara) 0 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monat 48 Zürich by Supercomputing Systems AG Simulation: Spielregeln für die Kraftwerke Deckung des Bedarfs Decke den Bedarf zunächst aus Thermischen Kraftwerken, Laufwasserkraft, Kernkraftwerken (falls vorhanden), Biomasse (falls vorhanden), PV (falls vorhanden) und Wind (falls vorhanden) Für weiteren Bedarf dezentrale Batterie hinzuziehen Für weiteren Bedarf Pumpspeicherwerke dazu nehmen Im Bedarfsfall zusätzlich GuD (falls vorhanden) Restbedarf durch Speicherkraftwerke Bei Überproduktion Anfallenden Überschuss in dezentralen Batteriespeicher abführen Restlichen Überschuss in Pumpspeicherseen pumpen (Stauseen werden primär für den Jahresausgleich verwendet) Restlicher Überschuss «wegwerfen» oder ins Ausland verkaufen Lastverschiebung Falls ein Solarüberschuss absehbar ist (am aktuellen Tag), fange diesen zunächst möglich durch verschobene Last ab 49 Zürich by Supercomputing Systems AG 4

5 Szenarien 1. Weiter Wie Bisher 2. Weiter Wie Bisher mit neuer Kernkraft 3. Bund NEP-E 4. Nur Solar 5. Solar und Wind 6. Solar, Wind und Biomasse 7. Solar, Wind, Biomasse und Batterie 8. Lastverschiebung 50 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher WWB Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 5

6 Weiter Wie Bisher: Parameter 52 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher: Jahresbilanz 53 Zürich by Supercomputing Systems AG 6

7 Weiter Wie Bisher: Verlauf einer Sommerwoche 54 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher: Verlauf einer Winterwoche 55 Zürich by Supercomputing Systems AG 7

8 Weiter Wie Bisher: Energieproduktion im Jahresverlauf 56 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher: Energiekonsum im Jahresverlauf 57 Zürich by Supercomputing Systems AG 8

9 Weiter Wie Bisher: Verwendung überschüssiger Energie 58 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher: Füllstand der Speicherseen 59 Zürich by Supercomputing Systems AG 9

10 Weiter Wie Bisher: Netzbenutzung 60 Zürich by Supercomputing Systems AG Weiter Wie Bisher: Kostenschätzung 61 Zürich by Supercomputing Systems AG 10

11 Nur Solarausbau auf 18 GW (40 Orte: 20 Mitteland, 20 Berge) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 63 Zürich by Supercomputing Systems AG 11

12 64 Zürich by Supercomputing Systems AG 65 Zürich by Supercomputing Systems AG 12

13 66 Zürich by Supercomputing Systems AG 67 Zürich by Supercomputing Systems AG 13

14 68 Zürich by Supercomputing Systems AG 69 Zürich by Supercomputing Systems AG 14

15 70 Zürich by Supercomputing Systems AG Solar + Wind (preiswerte Solarzellen von CHF 1500 pro kwp) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 15

16 Solar + Wind (A): Parameter 72 Zürich by Supercomputing Systems AG Solar + Wind (A): Jahresbilanz 73 Zürich by Supercomputing Systems AG 16

17 Solar + Wind (A): Verlauf einer Sommerwoche 74 Zürich by Supercomputing Systems AG Solar + Wind (A): Verlauf einer Winterwoche 75 Zürich by Supercomputing Systems AG 17

18 Solar + Wind (A): Energieproduktion im Jahresverlauf 76 Zürich by Supercomputing Systems AG Solar + Wind (A): Energiekonsum im Jahresverlauf 77 Zürich by Supercomputing Systems AG 18

19 Solar + Wind (A): Verwendung überschüssiger Energie 78 Zürich by Supercomputing Systems AG Solar + Wind (A): Füllstand der Speicherseen 79 Zürich by Supercomputing Systems AG 19

20 Solar, Wind, Biomasse und Batterie (Erneuerbar-B) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich Erneuerbar (B): Parameter 81 Zürich by Supercomputing Systems AG 20

21 Erneuerbar (B): Jahresbilanz 82 Zürich by Supercomputing Systems AG Erneuerbar (B): Verlauf einer Sommerwoche 83 Zürich by Supercomputing Systems AG 21

22 Erneuerbar (B): Verlauf einer Winterwoche 84 Zürich by Supercomputing Systems AG Erneuerbar (B): Energieproduktion im Jahresverlauf 85 Zürich by Supercomputing Systems AG 22

23 Erneuerbar (B): Energiekonsum im Jahresverlauf 86 Zürich by Supercomputing Systems AG Erneuerbar (B): Verwendung überschüssiger Energie 87 Zürich by Supercomputing Systems AG 23

24 Erneuerbar (B): Füllstand der Speicherseen 88 Zürich by Supercomputing Systems AG Lastverschiebung Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 24

25 Lastverschiebung: Parameter 90 Zürich by Supercomputing Systems AG Lastverschiebung: Jahresbilanz 91 Zürich by Supercomputing Systems AG 25

26 Lastverschiebung: Verlauf einer Sommerwoche 92 Zürich by Supercomputing Systems AG Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 26

27 Neuer Einsatz von Speicherseen Die Speicherseen decken immer die Differenz zwischen nicht beeinflussbarer Produktion (Laufwasser, KVA, Kernenergie) und Nachfrage Im Szenario WWB ist die Leistungskurve der Speicherseen relativ gut zum Voraus berechenbar, da sowohl die nicht beeinflussbare Produktion wie auch die Nachfrage gut bekannt sind Bei 100% erneuerbar kommen zur nicht beeinflussbarer Produktion auch PV und Wind dazu. Diese sind hoch dynamisch. Damit wird auch die Leistungskurve der Speicherseen hoch dynamisch. Sie ist aber immer noch auf 24h zum Voraus berechenbar. Es ist nicht notwendig, dass die 15 TWh Bandenergie der Kernkraftwerke im Winterhalbjahr als Bandenergie zur Verfügung stehen müssen, sie darf auch hoch dynamisch sein. Einzige Voraussetzung: Das Angebot darf nie grösser sein als die Nachfrage. Nur ein Land mit so viel Leistung und Energie aus Speicherseen wie die Schweiz kann eine solche Strategie fahren. 94 Zürich by Supercomputing Systems AG Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen 95 Zürich by Supercomputing Systems AG 27

28 Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen: Wochenvergleich Leistungskurve Speicherseen WWB Leistungskurve Speicherseen Erneuerbar 96 Zürich by Supercomputing Systems AG Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen: Jahresvergleich Leistungskurve Speicherseen WWB Leistungskurve Speicherseen Erneuerbar 97 Zürich by Supercomputing Systems AG 28

29 Zusammenfassung Simulation der Szenarien Alle vorgeschlagenen Szenarien des Bundes sind realisierbar (d.h., der Ausstieg aus der Kernenergie ist möglich) Eine Versorgung der Schweiz mit elektrischer Energie aus Wasser & Sonne ist ohne Ausbau der Speicherseen nicht möglich; es fehlt im Winterhalbjahr rund 1 TWh. Eine Versorgung der Schweiz aus 100% erneuerbaren Energien (Wasser, Sonne, Wind und Biomasse) ist ohne Ausbau der Speicherseen/ Pumpspeicherwerken möglich. Es gibt mehrere mögliche Lösungen. Die Schweiz ist geradezu ideal für die Energiewende vorbereitet Der stufenweise Ausstieg aus der Kernenergie ist auch ohne GuD möglich (wurde simuliert aber hier nicht gezeigt) Bei allen Simulationen wurde die Schweiz als «Insel» betrachtet; es ist möglich, zusätzliche Geschäftsmodelle mit Stromhandel diesen Simulationen zu überlagern (siehe unten). 98 Zürich by Supercomputing Systems AG Volkswirtschaftliche Kosten Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 29

30 3.0 Volkswirtschaftliche Kosten Im folgenden werden nun die volkswirtschaftlichen Kosten für die verschiedenen Szenarien abgeschätzt. Die gewählten Parameter sind plausible Einschätzungen von Anton Gunzinger; sie können verändert werden. Das Modell steht für Simulationen zur Verfügung. Bei Szenario WWB wird mit einer Erneuerung der Kernenergie gerechnet, da auch die bestehenden Kernkraftwerke erneuert werden müssen Die Mehrkosten sollten in Bezug auf dieses Szenario verglichen werden Es werden keine Aussagen zur Finanzierung gemacht (diese wird durch die Politik bestimmt) 100 Zürich by Supercomputing Systems AG 3.1 Volkswirtschaftliche Kosten der Energieträger Kosten [Rp/ kwh] Flusskraftwerke 4.0 Speicherkraftwerke (heute 4.5 Rp/kWh) 5.5 Kernkraftwerke (heute, ohne Risikoabgeltung) 5.6 Kernkraftwerke (heute, inkl Risiko) 23.5 Kosten Supergau: CHF 5000 Mia, 0.2 / KKW & a, 5 KKW s Produktion: ca. 28 TWh/Jahr Kernkraftwerke (neu, ohne Risikoabgeltung) GW à 10 Mia CHF, Zins: 6%, Lebensdauer: 50 Jahre, Unterhalt: 3%, Produktion: ca. 12 TWh/Jahr Solar 1 kwp à 1.5 kchf, Zins: 3%, Lebensdauer: 25 Jahre, Unterhalt: 1%, Produktion: ca kwh/jahr Wind 1 MWp à 2 MCH, Zins: 4.5%, Lebensdauer: 40 Jahre, Unterhalt: 4%, Produktion: ca MWh / Jahr KVA 6.0 GuD MWp à 1 MCH, Zins: 4.5%, Lebensdauer: 30 Jahre, Unterhalt: 1%, Brennstoff: 5 Rp/ kwh, Betrieb: ca Volllaststunden/Jahr 101 Zürich by Supercomputing Systems AG

31 3.2 Volkswirtschaftliche Kosten der Szenarien Kosten [Mia CHF/a] Kosten [Rp/ kwh] WWB (ohne Risiko) WWB (mit Risiko 0.2 ) *) WWB mit neuen KKW (ohne Risiko) Bund NEP-E Solarausbau-A (1 Standort) (keine Autarkie!) 9.46 (keine Autarkie!) 15.8 Solarausbau-B (40 Standorte) (keine Autarkie!) 9.24 (keine Autarkie!) 15.4 Solar & Wind Solar & Wind & Biomasse Solar & Wind & Biomasse & Batterie Batterien Lastverschiebung *) Kosten Supergau: CHF 5000 Mia, 0.2 / KKW & a, 5 KKW s 102 Zürich by Supercomputing Systems AG Netze Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 31

32 4.1 Elektrische Netze heute: Mengengerüst nach Ebenen Netzeb ene Spannung [kv] Anzahl Regionen Anzahl Abgänge Zeitwert [MCHF] Tot: 18 Mia Zeitwert Relativ auf Total N1 220/ % N2 148 Trafos (inkl. Res.) 350 2% N Ca % N Trafos (inkl. Res) % N5 1-36? (<2600) % N Trafos N7 < (Verteilkabine) % 39.2% Ca. 75% Quelle: ElCom 2010, Jahresbericht 2400/600: Geschätzt mittels ElCom Zahlen 104 Zürich by Supercomputing Systems AG 4.2 Stromfluss- und Spannungsmuster im elektrischen Netz Ideale Netzstruktur für zentrale Produktion, dezentraler Verbrauch: hierarchisches Netz Ideale Netzstruktur für dezentrale Produktion, zentraler Verbrauch: hierarchisches Netz Ideale Netzstruktur für dezentrale Produktion, dezentraler Verbrauch: hierarchisches Netz K K K K K P P P P P P P K P P K K K K K P P P P P K K p K P Die heutige Netzstruktur ist optimal für dezentrale Einspeisung geeignet. 105 Zürich by Supercomputing Systems AG 32

33 4.3 Besondere Herausforderung: PV Dezentrale Einspeisung verursacht hohe Dynamik im Netz Im Besonderen kann PV so ausgebaut werden, dass das Verteilnetz überlastet ist. Die Leistungsschwankungen der PV können zu hohen Spannungsschwankungen im Verteilnetz führen Beispielanlage: EWZ (installierte Leistung 60 kwp) Leistung (kw) Tagesverlauf Beispielsanlage (60 kwp) am Installierte Leistung Grenze für Kappung Tagesverlauf (nominal) Uhrzeit (Stunde) 106 Zürich by Supercomputing Systems AG 4.4 Herausforderung PV Solaranlagen Durchschnittsverbrauch eines Anschlusses ca. 1.1 kw / Anschluss Installierte PV-Leistung doppelt so hoch: 2.2 kw / Anschluss Einspeisungsvarianten Direkteinspeisung: Spitzenkappung: Batteriespeicher: Leistung der PV-Anlage geht direkt ins Netz Einspeisungsbegrenzung bei 70%-Peakleistung Geglättete Sollkurve für PV-Einspeisung Speicherkapazität für 1h Peakleistung Philosophie: «gnädig zum Netz sein» Fragen von Interesse Was für eine Residuallast ergibt sich? Helfen Kappung / Batterie, Einstrahlungsschwankungen auszugleichen? 107 Zürich by Supercomputing Systems AG 33

34 4.5 Herausforderung PV: Datenquellen Verbrauchskurve (Quelle: EWZ) Wohngebiet mit >500 Anschlüssen Messdaten Zeitauflösung von 15 min Wetterdaten (Quelle: meteonorm-software) Solareinstrahlung für Raum Zürich Simulierte Daten für ein typisches Jahr Zeitauflösung von 1 min (angepasst für 15 min) 108 Zürich by Supercomputing Systems AG Sommerwoche: Verbrauchskurve 109 Zürich by Supercomputing Systems AG 34

35 Winterwoche: Verbrauchskurve 110 Zürich by Supercomputing Systems AG Direkteinspeisung Sommerwoche: Lastgang 111 Zürich by Supercomputing Systems AG 35

36 Direkteinspeisung Winterwoche: Lastgang 112 Zürich by Supercomputing Systems AG 4.6 Lösungsansatz 1: Kappung der Leistungsspitzen Es wird eine Grenze festgelegt (z.b. 70%), Tagesverlauf bei der Beispielsanlage die Einspeisung (60 kwp) am begrenzt Installierte Leistung wird Grenze für Kappung Tagesverlauf (gekappt) Wie gross sind die Verluste? 50 Produktion (nominal): kwh 40 Produktion (gekappt): kwh Verluste: kwh 30 Verluste: 4.3 % (Betrachteter Betriebszeitraum: 20 Juli September 2012) Geringe Verluste, da Peaks nur kurz Leistung (kw) Uhrzeit (Stunde) 113 Zürich by Supercomputing Systems AG 36

37 Spitzenkappung Sommerwoche: Lastgang 114 Zürich by Supercomputing Systems AG 4.7 Lösungsansatz 2: Dezentrale Speicher Idee: Es werden dezentrale Speicher eingesetzt, die sowohl die Produktionsspitzen der PV wie auch die Lastspitzen des Verbrauchers brechen können Batteriekosten: CHF 300/ kwh Nutzbare Zyklen: 5000 Speicherkosten: 6 Rp./ kwh Netz Solar Pannel 4 Port Wechselrichter Kunde Durch diesen Ansatz wird das Netz trotz dezentraler Einspeisung noch stabiler als heute. Einziger Nachteil: Kosten Batterie 115 Zürich by Supercomputing Systems AG 37

38 4.7 Controller für die Batterie Annahmen Residuallastkurve darf (über Mittag) negativ werden, muss in einem beschränkten Rahmen (±P verbrauch,max ) sein Batterie wird zur Netzstabilisierung eingesetzt Steuerung Berechne eine «hinreichend brave» Sollkurve für die PV-Einspeisung («brav» = wenig Rippel) Die Batterie kompensiert die Abweichungen vom Sollwert Ist > Soll: Verschiebe den Überschuss in die Batterie Ist < Soll: Entnehme den Fehlbetrag der Batterie Falls Batterie voll: Überschuss muss abgeregelt werden («waste») 116 Zürich by Supercomputing Systems AG Sommerwoche: Lastgang 117 Zürich by Supercomputing Systems AG 38

39 Sommerwoche: Lastgang 118 Zürich by Supercomputing Systems AG Quervergleich Residuallast Direkteinspeisung, Spitzenkappung, Batteriespeicher 119 Zürich by Supercomputing Systems AG 39

40 Sommerwoche: Verbrauchskurve 120 Zürich by Supercomputing Systems AG Sommerwoche: Residuallastkurve Direkteinspeisung 121 Zürich by Supercomputing Systems AG 40

41 Sommerwoche: Residuallastkurve Spitzenkappung 122 Zürich by Supercomputing Systems AG Sommerwoche: Residuallastkurve Batteriespeicher I 123 Zürich by Supercomputing Systems AG 41

42 Sommerwoche: Residuallastkurve Batteriespeicher III 124 Zürich by Supercomputing Systems AG 4.8 Lösungsansatz 3: Nutzung brachliegender Netzkapazität Zustand heute Zielzustand Optimale Nutzung der brachliegenden Netzkapazitäten durch intelligentes Netzmanagement reduziert die Investitionen in den Netzausbau massgeblich. 125 Zürich by Supercomputing Systems AG 42

43 4.8 Lösungsansatz 3: Nutzung brachliegender Netzkapazität Vermutung: Ausnutzung der Netzebenen N4 N7 oft nur 30% aufgrund rudimentärer Nutzungsanalysen (Elektrizitätszähler beim Verbraucher, Schleppzeiger beim Trafo) der Netzebenen N4 N7 erfordert hohe Leistungsreserve. Ziel: kostengünstige, genaue Ausmessung (Echtzeitüberwachung) der Netzebenen N4 N7 ermöglicht an vielen Orten, auf den Netzausbau zu verzichten. Diese Art der Echtzeitüberwachung wird auf den Netzebenen N1 N3 bereits erfolgreich eingesetzt «Smart Grid» Um die Echtzeitüberwachung auch in den Netzebenen N4 N7 einsetzen zu können, muss sie um den Faktor 100 kostengünstiger werden aufgrund der hohen Stückzahlen ( Messpunkte). 126 Zürich by Supercomputing Systems AG Zusammenfassung Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich 43

44 5. Zusammenfassung Die Energiewende (keine Kernkraft, kein zusätzliches CO2) ist in der Schweiz technisch möglich Die volkswirtschaftlichen Kosten sind für alle Energieszenarios im gleichen Rahmen Die Energiewende schafft zusätzliche Arbeitsplätze in der Schweiz Die Energiewende verringert die Auslandabhängigkeit Die Energiewende schafft neue Gewinner und Verlierer Damit sie gelingt, müssen die politischen Weichen richtig gestellt werden Achtung: Es wurde eine (volkswirtschaftliche) Systemoptimierung durchgeführt. Diese wurde nicht auf bestehende Gesetze und Verordnungen überprüft. 128 Zürich by Supercomputing Systems AG Supercomputing Systems AG Vision meets reality. 129 Zürich by Supercomputing Systems AG 44