KWK als Stromspeicher

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1 KWK als Stromspeicher Vortrag am Energiewirtschaftlichen Seminar des Lehrstuhls für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der TU München Dipl.-Ing. Michael Beer Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München 1

2 Politische Ziele für die zukünftige Stromerzeugung 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 132,1 377,1 260,7 65,4 62,7 27,8 71,9 68,3 heute Zukunft 50 % 25 % KW-Park Erneuerbare EE-KWK KWK Angaben in den Säulen in TWh Zuwachs derzeit lediglich bei Stromerzeugung aus Erneuerbaren KWK-Stromerzeugung stagniert seit Jahren Ziele scheinen ambitioniert, aber erreichbar 2 wenn die Jahreserzeugung betrachtet wird.

3 3 Lastgänge bei Umsetzung der 2030 Ziele des Leitszenario 2010

4 Inhalte des Regionenmodells Betrachtung des Wärmebedarfs benötigt eine räumliche Auflösung Ausbau der Erneuerbaren und resultierender Erzeugungsgang ändert sich mit Erschließung der verfügbaren Potenziale 4

5 Das Regionenmodell: Örtliche Auflösung Amtlicher Gemeindeschlüssel (AGS): DE BL LK GE SE BUND Bundesländer Anzahl: 13 Stadtstaaten Anzahl: 3 (Regierungsbezirke) Landkreise Anzahl: 413 (davon 112 kreisfreie Städte) Gemeinden Anzahl: (Stand 2008) Siedlungstypen 5 Herausforderungen: Verschiedene Datenquellen, Daten oft anonymisiert oder GE nicht vorhanden

6 Lastgänge: Übersicht Anforderung an die Last- und Leistungsgänge im Regionenmodell Regionale Auflösung Abbildung des gesamten Bestandes ist wichtiger als exakte Zuordnung Konsistenz und Integrität Klima nach TRY, Feiertage nach Jahr 2005, Statistische Daten nach Verfügbarkeit Erzeugungs- und Lastgänge werden mit unterschiedlichen Simulationsmodellen synthetisiert und anhand realer Lastprofile plausibilisiert. 6

7 Räumliche Analysen Das Regionenmodell Das Regionenmodell: Energiebedarf (Wärme, Strom) in örtlicher Auflösung Bestand konventioneller Stromerzeuger und KWK- Anlagen Ausbauziele für Erneuerbare nach Leitszenario gemäß der Potenziale örtlich verteilt Last- und Leistungsgänge in sinnvoller räumlicher Aggregierung 7

8 Residuallast in GW Residuallast in GW Residuallast in GW Geordnete Jahresdauerlinien der Regionen 5 0 Region: Region: 24 Import/sonst. Erz.: 0,13 TWh Export/Abregeln: -71,62 TWh Max. Leistung: 1,3 GW1 Min. Leistung: -23,4 GW 0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ Import/sonst Erz.: 520,7 TWh Export/Abregeln: 0,0 Stunden -3 im Jahr 4 TWh Max. Leistung: 4,1-4 3 GW Min. Leistung: -0,5 GW -5 2 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ Stunden im Jahr => Speicher/flexible KWK muss sich verschiedenen regionalen Herausforderungen anpassen! Stunden im Jahr Region: 26 Import/sonst. Erz.: 23,3 TWh Export/Abregeln: -0,3 TWh Max. Leistung: 4,9 GW Min. Leistung: -1,8 GW FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00726

9 Strom Strom Wärme Wärme Systemeinbindung der flexiblen KWK CO 2 Abwärme CO 2 Kondensator SLK Brennstoff Gasturbine/ Dampferzeuger Dampf Dampf- Turbine Turbine Wärme Speicher Flexibles KWK-System Elektrische Heizung Stromnetz / EEX Strom Wärmenetz Regenerative KW-Park Regenerative 9

10 Wärmebedarf Betriebszustände des flexiblen KWK-Systems Strombedarf/ -deckung flexibles KWK- System Wärmebedarf Strombedarf/ -deckung flexibles KWK- System Wärmebedarf hoch Heizwerk KWK Speicher Heizwerk KWK Speicher Senke Quelle Kein Betrieb Strom Wärme Stromheizung Stromheizung Heizwerk Heizwerk KWK KWK Speicher Speicher niedrig Stromheizung Stromheizung negativ Strompreis / EEX hoch 10

11 Lastgang in MW bzw. Einsatz eines Wärmespeichers zur Erhöhung des Deckungsanteils der KWK-Stromerzeugung 11 Speicherkapazität in MWh Zusätzlicher KWK-Strom durch Speichereinsatz Zeitschritt in Stunden Füllstand Speicher Lastgang Strom bzw. Strompreis Lastgang Wärme Heizwerk Stromkennzahl=1 Angepasster Lastgang für KWK mit ca. 420 MW el, max Der Speicher wird geladen, wenn der Wärmebedarf niedriger ist als die thermische Leistung der KWK-Anlage. Bei hohem Wärmebedarf und niedrigem Strompreis wird die gespeicherte Wärme genutzt. Der KWK-Deckungsgrad steigt, je öfter ge- und entladen werden kann.

12 Mögliche Investition in Mio. Ergebnisse verschiedener Szenarienrechnungen Ergebnisraum REG-Ziel mit Stromheizung IST mit Stromheizung REG-Ziel mit 20 GW Grundlast IST-Zustand 12 0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ h 4 h 6 h 8 h 10 h Speicherkapazität in MWh Durch einen flexiblen Betrieb sind zusätzliche Investitionen möglich. Wärmespeicherung ist für einen Bereich von wenigen Stunden interessant. Elektrische Nachheizung lohnt sich vor allem in Szenarien mit niedrigen Strompreisen.

13 Investitionskosten in /m³ Kosten von Fernwärmespeichern Betonspeicher (min) Heißwasser Erdwärmesonden Druckloser Speicher AGFW-Angaben Speichervolumen in m³ Betonspeicher (max) Kieswasser Aquifer Druckspeicher Stahltank flex_10001 # Standort Typ 1 Illmenau Heißwasser 2 Rottweil Heißwasser 3 Hannover Heißwasser 4 Hamburg Heißwasser 5 Friedrichshafen Heißwasser 7 Steinfurt Kieswasser 6 Stuttgart Kieswasser 8 Chemnitz Kieswasser 9 Neckarsulm Erdwärmesonden 10 Rostock Aquifer 11 Halle Druckloser Speicher 12 Augsburg Druckloser Speicher 13 Salzburg Druckloser Speicher 14 Linz Druckloser Speicher 15 Münster Druckspeicher 16 Schwerin Druckspeicher 17 Saarlouis Druckspeicher Grenzinvestitionen aus der Simulation: bis /m³ AGFW BKI TA FVS PAU SALZAG SWMÜ EVS IBD SBZ FVS FVS EVH EVH AGFW EVONIK

14 Leistung/Last in GW Leistung/Last in GW Leistungsverschiebung durch Wärmespeicherung Woche Woche 9 Stunde im Jahr FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ Stunde im Jahr FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00708 Lastüberdeckung Restlast EE KWK flex Must-Run flex Flexibilisierungsalgorithmus: Tagesenergiemenge = konst. Überdeckung wird reduziert

15 Auswirkungen einer flexibleren Betriebsweise Reduzierung der Restlastspitze von 52 GW auf 51 GW Verringerung der Lastüberdeckung von -50 GW auf -35 GW 15 => Die Hälfte des Überschussstromes kann durch eine flexible Betriebsweise von KWK-Anlagen integriert werden. => Somit können 6 TWh mehr an erneuerbarem Strom genutzt werden.

16 Häufigtkeit der Nutzung Speicherfüllstand in GWh Ermittlung der Speichergröße "Speicher" laden "Speicher" leeren flex_ Stunden im Jahr flex_10006 Die volle Speichergröße kann nur an Tagen mit hohem Wärmebedarf genutzt werden. Der Wärmespeicher wird in jeder Stunde genutzt. In Deutschland sind ca. 4 GWh th installiert bis 25 GWh bis 50 bis 75 bis 100 bis 125 GWh GWh GWh GWh genutzte Speichergröße bis 150 GWh

17 Funktionaler Speicher KWK mit Fernwärmespeicher Q th = W el σ 152 GWh el 0,53 m = Q th c p T => 6,1 Mio. m³ K σ: Stromkennzahl W el : elektrische Speicherkapazität Q th : thermische Speicherkapazität m, c p : Masse und spezifische Speicherkapazität T: nutzbare Temperaturspreizung 4,2 kj/kgk Quelle: /SWMÜ-01 09/ Betreiber: Stadtwerke Münster Vorlauf: 90 C bis 120 C Rücklauf: ca. 60 C Kapazität: 4 Behälter mit je ca m³ Kosten: 4,5 Mio.

18 Auswahl großtechnischer Fernwärmespeicher FW-Speicher am HKW Freimann in München 18 Quelle:

19 FW-Speicher in Linz Inbetriebnahme: 2002 Höhe: 65 m Durchmesser: 26 m Dämmdicke: 0,5 m Speicherkapazität: m³ Energieinhalt: MWh Temperatur: max. 97 C 19 Quelle: Linz AG

20 The Pearl (Perlan) FW-Speicher in Reykjavik Eröffnet: 21. Juni 1991 Höhe: 25,7 m Speicherkapazität: 6 x m³ Temperatur: 85 C Speicherung geothermischer Energie Besonderheit: Restaurant Ausstellungsräume Konzertsaal Aussichtsplattform Quelle: /LEI-01 10/ 20

21 Conclusio Key Message Entscheidende Herausforderungen ergeben sich aus Leistungsbilanzen. Regionale Unterschiede verstärken sich mit Ausbau der Regenerativen. Energiesystemmodelle brauche zukünftig eine räumliche und eine zeitliche Auflösung. Eine flexible Betriebsweise von KWK-Anlagen ist ökonomisch und ökologisch sinnvoll. Bildquelle: aboutpixel.de Benzo 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Michael Beer +49 (89) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München 22