Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien

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1 Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien L. Andresen, G. Schmitz Institut für Thermofluiddynamik, Technische Thermodynamik P. Dubucq, G. Ackermann Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation R. Peniche, A. Kather Institut für Energietechnik Hamburg, 19. Juni 2014

2 Agenda Übersicht Projektziele Methodik Klimaschutzpotenziale Ausblick Hamburg, 19. Juni

3 Übersicht Fachtagung: Klimaschutz in der Metropole Hamburg kann mehr! Hamburg, 19. Juni 2014

4 Übersicht Projektzeitraum: Mai 2013 Oktober 2016 Finanzierung: 100 % BMWi gefördert Beteiligte: 3 Institute + XRG Simulation + industrieller Beirat Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz, Lisa Andresen, M.Sc. Institut für Thermofluiddynamik, Arbeitsgruppe Technische Thermodynamik (ITT) (Projektkoordination) Prof. Dr.-Ing. Günter Ackermann, Pascal Dubucq, M.Sc. Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation (IEE) Prof. Dr.-Ing. Alfons Kather, Ricardo Peniche, M.Sc. Institut für Energietechnik (IET) Beirat: Lichtblick, Germanischer Lloyd, Stadt Hamburg, ArcelorMittal, Dow Deutschland, Stromnetz Hamburg, Vattenfall Wärme Hamburg, E.ON Gas Storage Hamburg, 19. Juni

5 Projektziele Fachtagung: Klimaschutz in der Metropole Hamburg kann mehr! Hamburg, 19. Juni 2014

6 Projektziele Ziel des Vorhabens ist es, am Beispiel der Energieversorgung der Freien und Hansestadt Hamburg Strategien zur optimalen Einbindung stark fluktuierender Energien zu entwickeln. Zielgröße sind die CO 2 Emissionen, wobei der heutige Ausgangszustand (2012) als Referenzzustand angesehen wird. Es werden dabei alle Energiearten (z.b. elektrische, thermische, chemische) und die dynamische Kopplung von Energienetzen betrachtet. Vor allem soll die optimale Art, Lokalisierung und Größe von Speichern ermittelt werden. Randbedingung ist u.a. die Versorgungssicherheit der Klein- und der Großverbraucher. Die Umsetzung erfolgt (weitgehend) in der Modellierungssprache Modelica mit der Simulationsumgebung Dymola. Die erstellte Modell - Bibliothek wird frei verfügbar sein. Am Ende des Forschungsvorhabens soll ein konkreter Vorschlag unterbreitet werden, der in einem Folgevorhaben umgesetzt wird. Hamburg, 19. Juni

7 Projektziele - Energiesystemmodell Kohlekraftwerk (mit / ohne CO 2 Abscheidung) Abfall- bzw. Bio- Masseanlage Pumpspeicherwerk Windenergispeicher Druckluft- H 2 H 2 Gasturbine + - CO 2 CO 2 CH (Groß-) Batteriespeicher H 2 CH 4 El. Strom, Hochspannungs-, Mittelspannungs-, Niederspannungs-Netze Schwungradmassenspeicher Röhrengasspeicher Porenspeicher/ Kavernenspeiche r Fernwärmenetz HH 136/60 C, 90/45 C Gasverdichter Gasentsp.-Turb. Wärme- Transformator Heizungskessel Elektrische Wärme pumpe Gas, Hochdruck-, Mitteldruck-, Niederdruck-Netze (Groß-) Batterie + - PCM- Speicher BHKW Solar thermische anlage Schwungradmassen -speicher + - Fotovoltaikanlage Thermischer Speicher Batterie Industrieanlage Wohngebiet Schematische Darstellung des zu modellierenden Energiesystems (Quelle: Eigene Darstellung) Hamburg, 19. Juni

8 Methodik Fachtagung: Klimaschutz in der Metropole Hamburg kann mehr! Hamburg, 19. Juni 2014

9 Methodisches Vorgehen 1. Modellierung der Erzeuger, Verbraucher, Speicher und Energienetze in der Programmiersprache Modelica 2. Sammlung von Daten und Zeitreihen für die Validierung und Simulation 3. Untersuchung des Anwendungsfalls Hamburg anhand von fünf Schwerpunktszenarien a. Ist-Szenario (Referenzjahr: 2012) b. Zentral orientiertes Kraftwerkszenario (IET) c. Dezentral orientiertes Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK)-Szenario (ITT) d. Regelungs orientiertes Nachfrageszenario (IEE) e. Sekundärenergieträger orientiertes Großspeicherszenario (ITT) 4. Vergleich der Szenarien anhand von CO 2 -Minderungspotenzialen Hamburg, 19. Juni

10 Methodisches Vorgehen WEA Stromnetz Nicht geografisch aufgelöst GuD PtG Speicher PtH KWK Wärmenetz Geografisch aufgelöst Last HuK, GHD, Industrie HW Speicher Gasnetz Geografisch aufgelöst μ-kwk PV Speicher Schematische Darstellung des Modellierungskonzepts des Gesamtsystems (Quelle: Eigene Darstellung) Hamburg, 19. Juni

11 Methodik - Bibliothek TransiEnt in Dymola/Modelica Beispielhafte Einblick in der TransiEnt-Bibliothek (Quelle: Eigene Darstellung) Hamburg, 19. Juni

12 Klimaschutzpotenziale Fachtagung: Klimaschutz in der Metropole Hamburg kann mehr! Hamburg, 19. Juni 2014

13 Klimaschutzpotenziale - Metropole Hamburg Metropolen wie Hamburg verursachen, durch ihren hohen Energiebedarf, weltweit 75 % der Treibhausgasemissionen. (Quelle: Masterplan Klimaschutz, 2014) USW HH-Nord Stromnetz Gasnetz Fernwärmenetz DOW (Stade) Flughafen HKW Wedel UniHH USW HH-Ost Airbus Mittal HW Hafen HKW Tiefstack Ausbaupotenzial an Erneuerbaren innerhalb Hamburgs gering Hamburg als größter norddeutscher Verbraucher Einbindung und Ausgleich der Erneuerbaren Energieströme aus dem Umland Trimet Alu USW HH-Süd Aurubis Gassp. Reitbrook PSW-Geesthacht Vereinfachte Darstellung des Energiesystems Hamburg: Energienetze, Großverbraucher und -erzeuger (Quelle: Eigene Darstellung) Hamburg, 19. Juni

14 Klimaschutzpotenziale TransiEnt.EE Beantwortung der Frage: Mit welchen Maßnahmen können vor dem Aspekt der Einbindung fluktuierender Erneuerbarer Energien und unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit die höchsten CO 2 -Minderungspotenziale erreicht werden? Hamburg, 19. Juni

15 Klimaschutzpotenziale TransiEnt.EE Elektrische Leistung Erzeugung aus Erneuerbaren Energien folgt nicht dem Bedarf. Es werden u.a. verschiedene Maßnahmen zur Gleichsetzung von Erneuerbarer Erzeugung und Bedarf (Strom und Wärme) mit den programmierten Modellen untersucht, sodass auch die negative Residuallast (Überschüsse) genutzt werden kann. Positive Residuallast Strombedarf Wind Negative Residuallast Photovoltaik 00:00:00 03:00:00 06:00:00 09:00:00 12:00:00 15:00:00 18:00:00 21:00:00 Quelle: Eigene Darstellung Hamburg, 19. Juni

16 Klimaschutzpotenziale TransiEnt.EE Wo liegen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen bei der Einbindung stark fluktuierender, Erneuerbarer Energien? Wann ist die Aufteilung zwischen dezentraler Energiewandlung in einem BHKW und zentraler Energiewandlung in einem Kohlekraftwerk vor dem Aspekt der Einbindung von Erneuerbaren Energien optimal? Welche Art von Speicher wie Warmwasserspeicher, dezentrale Gasspeicher, Batterien, Schwungradmassenspeicher werden wie groß und wo benötigt? Kann ein Nahwärmenetz oder ein übergeordnetes Fernwärmenetz die Aufgabe einer Wärmesammelschiene übernehmen, in das kleine, dezentral angeordnete Gaskraft- bzw. Blockheizkraftwerke, aber auch solarthermische Anlagen einspeisen können? Welche Energiedienstleistungen (z. B. die Beheizung von Gebäuden, gewerbliche Prozesse) sollten unter Berücksichtigung der Einbindung von fluktuierenden Erneuerbaren Energien, besser elektrisch, welche besser thermisch bereitgestellt werden? In welchem Umfang kann die Beeinflussung von Nutzergeräten die Energieversorgung und verteilung unterstützen? Welche CO 2 -Minderungseffekte sind zu erwarten (Szenarien)? Hamburg, 19. Juni

17 Ausblick Fachtagung: Klimaschutz in der Metropole Hamburg kann mehr! Hamburg, 19. Juni 2014

18 Ausblick Die Datensammlung ist ein langer und mühsamer Prozess Mehr Transparenz Offenlegung von Daten Freie Modell-Bibliothek TransiEnt zur weiteren Szenarienentwicklung und dynamischen Simulation auch über die Projektlaufzeit hinaus, Wartung, Weiterentwicklung und Simulationsdienstleistungen durch XRG Simulation GmbH Erkenntnisgewinnung über Klimaschutzpotenziale und damit verbundene Investitions- und Förderungsmöglichkeiten Erwünscht ist (am Ende des Projekts) die Anwendung der Modell- Bibliothek bei Entscheidungsträgern in unterschiedlichen Städten, wo Maßnahmen zur Integration von Erneuerbaren Energien in die Energienetze evaluiert werden sollen Hamburg, 19. Juni

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Hamburg, 19. Juni