Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten

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1 Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Dr. Klaus Krüger, 2. Pumpspeichertagung des EFZN am 20. November 2014, Goslar PSW Goldisthal, 1060 MW, 300m Fallhöhe, 8,5 GWh 1 el

2 Was hat sich grundsätzlich geändert? Die bisherigen Energiewenden in Deutschland (Kohle Öl in den 60-70er Jahren; Kohle & Öl Atomenergie in den 70er-90er Dekaden) tauschten nur Primärenergien aus bei unveränderter Systemarchitektur. In der bisherigen Systemarchitektur hatten Energiespeicher keine zentrale systemische Bedeutung, weil die vorhandenen thermischen KW genügend gesicherte Leistung anbieten und weil bislang die Residuallast nie negativ war. Die Energiespeicherung erfolgte bislang durch die Natur im Primärrohstoff Kohle, Gas, Uran, Öl,... und die Stromerzeugung folgte bedarfsgerecht danach. Regelungsaufgabe: Verbraucherschwankungen ausgleichen. Bei Wind und PV erfolgt die Erzeugung zuerst und losgelöst vom Bedarf. Man hat die Reihenfolge geändert und hat sich kaum Gedanken über Speicherung gemacht! Regelungsaufgabe: sowohl Verbraucher- als auch intermittierende EE-Schwankungen ausgleichen. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 2

3 IAEW Studie *) zur Untersuchung der Beiträge von PSW Basiert auf dem IAEW Kraftwerksmodell und der IAEW Kraftwerkseinsatzplanung sowie der ETG Studie 2012 **). Es wurden dabei folgende Szenarien betrachtet: 2030 mit einem 60 % - Anteil von EE in der Erzeugung 2050 mit einem 80 % - Anteil von EE in der Erzeugung Bewertung der Pumpspeicher als Multifunktionskraftwerke Kurzzeitspeicher im täglichen Einsatz zur Bereitstellung gesicherter Leistung Weitere Systemdienstleistungen wie Primärregelleistung, Ausgleich von EE-Prognosefehlern, Engpassmanagement,... wurden nicht bewertet. *) Unterstützung der Energiewende in Deutschland durch einen Pumpspeicherausbau Potentiale zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit (im Auftrag der Voith Hydro), Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft IAEW, Prof. Moser, RWTH Aachen, 4. April 2014 **) ETG, Energiespeicher für die Energiewende, Studie des VDE ev, Frankfurt am Main, Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 3

4 Annahmen der Studie fast identisch mit ETG-Studie Keine Netzbeschränkungen Beschränkung auf Deutschland, d.h. Import/Export = 0 für elektrische Energie Sonstiger Verbrauch auf Basis von ENTSO-E Daten *) EE-Erzeugung auf Basis vom IWES-Modell **) und Wetterdaten des Jahres 2007 EE-Installationskosten und Brennstoffkostenmodell auf Basis der BMU-Leitstudie 2010 ***) Perfect Foresight und stundenscharfe Auflösung für ein repräsentatives Jahr (2007) Investitionskosten für Zubau PSW 1000 /kw (Leistungsteil), 50 /kwh (Speicheranteil) Verhältnis Energie/Leistung für Zubau 3 / 5 / 7 Wh/W, Wirkungsgrad: 80%, Lebensdauer: 60 Jahre gemischter Kapitalzins von 4% *) ENTSO-E: Consumption Data, Online: **) Frauenhofer IWES: Modell "Virtuelles Stromversorgungssystem", Kassel, 2012 ***) Nitsch, J., et al.: Leitstudie 2010, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: 2010 Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 4

5 Methodischer Ablauf Für die Szenarien des EE-Ausbaus 2030 und 2050 erwarteter Verbrauch und Kraftwerkspark (EE & thermisch) Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubau auf Basis der ETG-Studie erwartete Residuallast Abschätzung sichere Leistung aus Pumpspeichern Anpassung der Leistung von Gaskraftwerken Jahresbetriebsanalyse des Kraftwerks- und Speicherparks Kostenanalyse für jedes Szenario + CO 2 Emissionen Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 5

6 Die Studie beantwortet folgende Fragen: 1. In welchem Umfang können Pumpspeicherwerke verhindern, dass Windkraft- und Solaranlagen abgeregelt werden müssen? 2. In welchem Umfang können Pumpspeicherkraftwerke zur gesicherten Leistung beitragen und damit den Bedarf an konventionellen thermischen Kraftwerken senken? 3. Rechnet sich ein Pumpspeicherausbau in Deutschland volkswirtschaftlich? Ziel der Studie war die Minimierung der Gesamtkosten für Investitionen in Kraftwerke und des fossilen Brennstoffverbrauchs, wobei der gesamte KW-Park Deutschlands gemäß der BMU-Leitstudie 2010 *) berücksichtigt wurde. *) Nitsch, J., et al.: Leitstudie 2010, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 6

7 Abschätzung des wirtschaftlichen Speicherzubaus ø Volllaststunden je Speicherleistung gemäß ETG-Studie *) 4000 t [h] Zusätzliche Pumpspeicherleistung: 8 GW bei 60% EE (2030) 16 GW bei 80% EE (2050) PSW Leistung durch Zubau P [MW] 60% 80% Annahme: Zubau muss im Durchschnitt Volllaststunden in Turbinenbetrieb aufweisen weitere signifikante Auslastung durch zusätzliche Systemdienstleistungen möglich *) ETG, Energiespeicher für die Energiewende, Studie des VDE ev, Frankfurt am Main, Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 7

8 Ermittlung des Energiebedarfs für sichere Leistung 70 P [GW] Keine Einspeicherung da noch kein Energiebedarf 12 GWh 9GWh 10 GW 60 GWh t [h] Residuallast Speicher Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 8

9 Versorgungssicherheit Beitrag zur gesicherten Leistung durch PSW Energiebedarf zur Bereitstellung sicherer Leistung E [GWh] P [GW] 20 Energie EE 40% 40% Energie EE 60% 60% EE Energie 80% 80% Deutschland heute, 7 GW Leistung & 40 GWh 7 GW gesicherte Leistung aus PSW 2030, PSW-Zubau von 8 GW Leistung & 96 GWh 13 GW gesicherte Leistung aus PSW sichere Leistung 2050, PSW-Zubau von 16 GW Leistung & 152 GWh 16,6 GW gesicherte Leistung aus PSW Die Bereitstellung gesicherter Leistung aus allen PSW steigt 2030 auf 13 GW 2050 auf 16,6 GW und vermeidet den Zubau einer fossil vorzuhaltende KW-Reserve um die gleichen Werte! Das Potenzial zur Bereitstellung sicherer Leistung aus PSW steigt bei höherem EE-Anteil, da der dazu erforderliche Energiebedarf sinkt. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 9

10 Wochenlastgang 2030 (60% EE) ohne PSW Abregeln von EE MO DI MI DO FR SA SO Einspeichern EE Reduktion der Abregelung mit PSW Ausspeichern EE 9:00 16:00 01:00 8:00 17:00 Glättung Reduktion Spitzenlast MO DI MI DO FR SA SO Thermisch Einspeichern Abregeln Erneuerbare & Must-Run Ausspeichern Last 10

11 Ergebnisse für das 60 % - Szenario (2030) 15 GW Pumpspeicherkraftwerke mit einem Speichervolumen von 96 GWh ersetzen bis zu 13 GW an Gaskraftwerken. 72,5 % der Überschüsse aus der EE-Erzeugung werden von der PSW-Flotte aufgenommen (6 TWh EE) und werden Stunden später wieder ins Netz eingespeist. Die gesamte Pumpspeicherflotte ist gut ausgelastet und erzielt volkswirtschaftliche Vorteile, weil die eingesparten variablen Stromgestehungskosten (fossile Brennstoffe + CO 2 -Zertifikate) höher sind als die PSW-Investitionskosten. Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 1 Mio. Tonnen pro Jahr durch das Recyceln von nicht-abgeregeltem EE-Strom. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 11

12 Wirkung der Pumpspeicher 2030 (60% Szenario) 6 TWh Verlust durch Abregelung von EE beziehungsweise Überschussproduktion bedeutet: 6 TWh = Jahresproduktion von 900 Windrädern der 2,5 MW Klasse Pumpspeicher mit 15 GW: 7 GW Bestand + 8 GW-Zubau vermeidet den Zubau von thermischen KW mit 13 GW Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 12

13 Wochenlastgang 2050 (80% EE) ohne PSW Abregeln von EE MO DI MI DO FR SA SO Einspeichern EE Reduktion der Abregelung mit PSW Ausspeichern EE Reduktion Spitzenlast Glättung MO DI MI DO FR SA SO Thermisch Einspeichern Abregeln Erneuerbare Ausspeichern Last 13

14 Ergebnisse für das 80 % - Szenario (2050) 23 GW PSW mit einem Speichervolumen von 152 GWh ersetzen bis zu 16,6 GW an Gaskraftwerken. 64,5 % der Überschüsse aus der EE Erzeugung werden von der PSW-Flotte aufgenommen (17,6 TWh EE) und werden Stunden später wieder ins Netz eingespeist. Die gesamte Pumpspeicherflotte ist sehr gut ausgelastet und erzielt höhere volkswirtschaftliche Einsparungen als im 2030 Szenario hinsichtlich der Gesamtkosten der Stromerzeugung. Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 2 Mio. Tonnen pro Jahr durch das Recyceln von nicht-abgeregeltem EE-Strom. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 14

15 Wirkung der Pumpspeicher 2050 (50% Szenario) 17,6 TWh Verlust durch Abregelung von EE beziehungsweise Überschussproduktion bedeutet: 17,6 TWh = Jahresproduktion von Windrädern der 2,5 MW Klasse Pumpspeicher mit 23 GW: 7 GW Bestand + 16 GW-Zubau vermeidet den Zubau von Gas- KW mit 16,6 GW Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 15

16 Windflaute im Dezember 2050 (80% EE) MW ohne PSW Anteil von Wind und PV geht auf 0 MW zurück! Nur Laufwasser-KW, geothermische und Biomasse-KW liefern EE-Anteile. MW mit PSW PSW vermeiden ineffiziente Kurzzeiteinsätze von thermischen KW. max. Jahreshöchstlast für die thermische KW-Flotte. Mit PSW kann diese Höchstlast für die thermische KW-Flotte reduziert werden. Thermisch Einspeichern Abregeln Glättung und Reduktion von Lastspitzen sind auch in diesem Szenario offensichtlich. Erneuerbare Ausspeichern Last 16

17 Fazit der Studie Pumpspeicherkraftwerke sind als wichtiges verbindendes Element zwischen den fluktuierenden erneuerbaren Energien und den konventionellen Energieerzeugern zu sehen. Pumpspeicherkraftwerke können fossile Reservekraftwerke mit einer Leistung von bis zu 16,6 GW (2050) ersetzen. EE-Ausbau mit PSW Ausbau kann die Vorhaltung von fossilen Reserve-KW reduzieren das kann EE-Ausbau ohne PSW-Ausbau nicht leisten. Die Flotte der Pumpspeicherwerke kompensiert die Volatilität der erneuerbaren Energien und ermöglicht dadurch einen schonenden und wirtschaftlichen Betrieb des verbleibenden thermischen Kraftwerkparks. Dadurch kann größtenteils auf Demand-Side-Management, d.h. auf die Abschaltung von Verbrauchern in Industrie und Privathaushalten verzichtet werden. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 17

18 Wertschöpfung in Deutschland Investitionen und Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland in Mio. / a ,4 954,8 Wertschöpfung = Investition in D 374,9 775,6 Einsparung von Brennstoff = Mindertransfer von Kapital ins Ausland Verbrauchervorteil /-nachteil in D ,2 102,5-102,5-179, ,2 102, ,1-184,4 179,2 102, Investitionen in Gaskraftwerke Investitionen in Pumpspeicherkraftwerke Gesamtinvestitionen in Deutschland Einsparung variabler Stromgestehungskosten durch Speicherzyklen Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland 2030 mit PSW 2050 mit PSW 2030 ohne PSW 2050 ohne PSW Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 18

19 Folgen für den thermischen Kraftwerkspark PSW können zusätzliche Systemdienstleistungen erbringen und die täglichen Schwankungen in der Erzeugung oder im Verbrauch kurzfristig ausgleichen. Zusätzliche Flexibilisierungsmaßnahmen im thermischen KW- Park sind nicht notwendig. Insgesamt werden weniger neue Gaskraftwerke benötigt. Vorhandene thermische KW laufen weiter bis zu ihrem Lebensdauerende, sind besser ausgelastet und werden schonender und effizienter gefahren. Durch das Recyclen von EE-Überschüssen können fossile Brennstoffe eingespart werden und damit werden auch die CO 2 -Emissionen reduziert. Damit reduziert der PSW-Ausbau die Abhängigkeit Deutschlands von fossilen Brennstoffimporten (insbesondere Gasimporte). Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 19

20 Der Weg zu einer erfolgreichen Energiewende (I) Die Einführung eines abgestimmten Begriffs für Stromspeicher und deren Befreiung von Letztverbraucherabgaben ist notwendig. PSW sind keine Letztverbraucher. Dies sollte für den Bestand und auch für den Zubau gelten. Der heutige und zukünftige Nettoexport von deutschen EE-Überschüssen in Nachbarländer (häufig zu sehr niedrigen Preisen) sollte signifikant reduziert werden, um die eigenen fossilen Brennstoffe in Deutschland zu verdrängen. Diese EE-Exporte verdrängen nämlich stattdessen die fossilen und nuklearen Energieträger im Ausland und verbessern die CO 2 -Bilanz der Nachbarstaaten auf Kosten der deutschen EEG-Umlagezahler. Das Hauptziel der Energiewende wird auf diese Weise nicht erreicht 1). Ein Pumpspeicherausbau könnte diesen Nettoexport von EE deutlich reduzieren. Stromspeicher können durch ihre Eigenschaft, die Stromerzeugung und Stromnachfrage zeitlich zu entkoppeln, einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung von Versorgungssicherheit leisten. Sie sind somit nicht ausschließlich eine Flexibilitätsoption. Deren Beitrag zur Gewährleistung von Versorgungssicherheit in einem Energiesystem mit hohen Anteilen EE wird in den aktuellen Debatten nicht ausreichend gewürdigt 2). 1) Nationaler Hochmut oder cui bono? M.-O. Bettzüge, Physik Journal 13 (2104) Nr. 5. 2) Die Bedeutung von Stromspeichern im Energiesystem. Standpunkte der Deutschen Energie-Agentur (dena) zur aktuellen Speicherdiskussion. Berlin, Oktober

21 Der Weg zu einer erfolgreichen Energiewende (II) Die Kombination der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien mit Stromspeichern ermöglicht eine bessere Vermarktung von Grünstromprodukten da Prognosefehler in einem gemeinsamen Portfolio deutlich reduziert werden können. Der überwiegende Teil der bisherigen Studien zur Entwicklung des Kraftwerks-parks in Zentraleuropa fokussierte bislang ausnahmslos nur auf flexible thermische Erzeugungsanlagen wie Gasturbinen und Gas-KW zur Bereitstellung gesicherter Leistung. PSW sollten insbesondere bei der Betrachtung möglicher Kapazitätsmechanismen explizit berücksichtigt werden. Im europäischen Ausland entspricht dies dem Stand der Technik *). Änderungen am Strommarktdesign sollten den Wert von kurzfristig verfügbarer Flexibilität & regelbarer Dynamik stärker berücksichtigen. Hiervon profitieren PSW, da sie als Multitalentkraftwerke eingesetzt werden können (gesicherte Leistung, Ausgleichenergie bei Prognosefehlern, extrem steile Lastgradienten, etc.) *) ENTSO-E: System Adequacy, Online: Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 21

22 9-Tage-Lastgang der PSW-Gruppe Obere Ill Lünersee bei der Sekundärregelung für TransNet (2012) Lastmittelwerte über 15 Minuten Erreichbar mit Demand Side Management??? EE Abregeln? Source: Peter Matt, Vorarlberger Illwerke AG: Defining the Role of Hydropower in the European Energy Mix. Conference paper during the Hydropower Development, Porto, 17th-18th September pos. Ausgleichenergie neg. Ausgleichenergie PSW ist die einzige ausgereifte Technologie für einen hochzyklischen und hochdynamischen Ausgleichsbetrieb zur Netzstabilisierung im Hochspannungsnetz! Turbinenbetrieb ( MW) Pumpbetrieb ( MW) Owner: Vorarlbeger Illwerke EG in Austria. Name of pumped storage complex: Werksgruppe Obere Ill Lünersee: Obervermutwerk (29 MW), Obervermutwerk II (360 MW) im Bau Vermutwerk (156 MW) Kopswerk I (247 MW) Kopswerk II (525 MW) > 2000h/a im hydraulischen Kurzschlussbetrieb Lünerseewerk (232 MW), Rodundwerk I (198 MW), Rodundwerk II (276 MW) 22

23 Dr. Klaus Krüger Head of R&D Voith Hydro Holding Wissenschaftliche Studie: Moser, A., Rotering N., Schäfer, A.: Unterstützung der Energiewende in Deutschland durch einen Pumpspeicherausbau Potentiale zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit (im Auftrag der Voith Hydro). IAEW RWTH, Aachen, 4. April 2014, Online: VGB-Aufsatz: Krüger K., Rotering N.: Energiewende erfolgreich gestalten durch Pumpspeicherausbau. VGB PowerTech 09/2014. Sonderausgabe zum VGB-Kongress "Kraftwerke 2014", 17./ in Hamburg. Die Energiewende durch einen Pumpspeicherausbau erfolgreich gestalten Klaus Krüger 20. November Pumpspeichertagung des EFZN 23