Potentiale konventioneller Pumpspeicher in Niedersachsen und damit einhergehende Kosten

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1 Potentiale konventioneller Pumpspeicher in Niedersachsen und damit einhergehende Kosten 2. Pumpspeichertagung des EFZN für transdisziplinären Dialog 20. & 21. November 2014, Goslar FICHTNER GmbH & Co. KG

2 Gliederung Analyse und Vergleich von Speichertechnologien mechanische und chemische Speicher Netzmaßstab Potentialanalyse basierend auf lokalen Gegebenheiten in Niedersachsen Bewertung Machbarkeit und Kosten Priorisierung der Speichertechnologien Sensitivitätsanalyse und Ausblick 2030 Schritt 1: Grundlagen und Kennwerte Schritt 2: Potentialanalyse Schritt 3: Machbarkeit Kosten Ausblick

3 Grundlagen und Kennwerte Inhalt: Betrachtete Speichertechnologien Definierte Einsatzszenarien Unterscheidung arbeits- und leistungsspezifischer Investitionen LEC-Methodik Kennwerte der Referenzspeichersysteme Schritt 1: Grundlagen und Kennwerte Schritt 2: Potentialanalyse Schritt 3: Machbarkeit Kosten Ausblick

4 Betrachtete Speichertechnologien Analyse und Vergleich chemischer und mechanischer Speichertechnologien Art der Energiespeicherung Mechanische Speicher Chemische Speicher Elektrische Speicher Pumpspeicherwerk (PSW) Wasserstoffspeicher Supraleitende Spulen Druckluftspeicher Batteriespeicher Kondensatoren

5 Beleuchtete Einsatzszenarien: Kurzfrist-, Mittelfrist und Langfristspeicher Die Einsatzszenarien werden wie folgt definiert: Einsatzszenarien Ausspeicherdauer pro Zyklus (Verhältnis Kapazität zu Leistung) [h] Zyklenzahl [Zyklen/Tag] Kurzfristspeicher (KFS) 1 7 Mittelfristspeicher (MFS) 7 1 Langfristspeicher (LFS) 200 0,033 Entkopplung arbeits- und leistungsabhängiger Kosten zur korrekten Abbildung von KFS, MFS und LFS notwendig

6 Berechnung der LEC (Levelized Electricity Cost ) zum ökonomischen Vergleich der unterschiedlichen Speichertechnologien LEC = Levelized Electricity Cost (auf deutsch: durchschnittliche, diskontierte Kosten der Energiespeicherung) Vereinfacht: LEC = BW Kosten [ ] BW ausgesp.strommenge[mwh] LEC = CAPEX OPEX W fix aus,jahr OPEX q n q n 1 q 1 var q n q n 1 q 1 Allgemeingültige, anerkannte Methodik Diskontierung, Annualisierung und Barwertbildung nach VDI-Richtlinie 2067 Basisannahmen für Berechnung der LEC Ladestrompreis: 50 /MWh Diskontierungszinssatz: 5 % LEC = Levelized Electricity Cost BW = Barwert i = Diskontierungszinssatz CAPEX = Capital Expenditure OPEX = Operational Expenditure q =1 i

7 Ableitung zentraler Kennwerte und Definition konkreter Referenzspeichersysteme für den wirtschaftlichen Vergleich Verwendete Referenzspeichersysteme Speichersysteme Leistung Wirkungsgrad [MW] [%] Leistungsspez. CAPEX P [ /kw] Arbeitsspez. CAPEX W [ /kwh] * Pumpspeicher (PSW) , / 102 / 57 Adiabater Druckluftspeicher (AA-CAES) H2-Speicher (Pfad 1: H 2 in Kaverne) H2-Speicher (Pfad 2: H 2 in Gasnetz) H2-Speicher (Pfad 3: CH 4 in Gasnetz) 90 68, / 34 / , / 6 / 0, , , * Kurzfristspeicher (KFS) / Mittelfristspeicher (MFS) / Langfristspeicher (LFS) Kosten für Speicherung im Erdgasnetz als kostenneutral angenommen

8 Potentialanalyse Inhalt: Potential Pumpspeicherwerke Basis: lokale Gegebenheiten in Niedersachsen Schritt 1: Grundlagen und Kennwerte Schritt 2: Potentialanalyse Schritt 3: Machbarkeit Kosten Ausblick

9 Hohes Potential für PSW in Niedersachsen (rd. 100 GWh) Potentialermittlung Pumpspeicher 1. Digitales Geländemodell (DGM) 2. Anwendung von Topographiekriterien Fallhöhe: Δh 100 m Länge der Stollen: Δh / L 1 / 10 Leistung: P 100 MW Beckenvolumen: V Vmin 3. Anwendung von Ausschlusskriterien FFH-Gebiete und SPA-Gebiete Gewässer 1. und 2. Ordnung Ungeeignete Geologie etc. Analyse erfolgt automatisiert mittels GIS und manueller Kontrolle Quelle: Fichtner FFH= SPA= GIS= Flora- Fauna- Habitat Special Protection Area (Vogelschutz) Geoinformationssystem

10 Topographie Screening Anwendung der Topographiekriterien: Ergebnis Großes Potential im Süden Oberbecken Unterbecken Bild animiert

11 Topographie Screening Anwendung der Topographiekriterien: Ergebnis Großes Potential im Süden Oberbecken Unterbecken Bild animiert

12 Anwendung von Ausschlusskriterien Flüsse 1. und 2. Ordnung SPA Vogelschutz Geologie FFH Flora Fauna Habitate No-Go - Areas:

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15 Topographie Screening Bild animiert

16 Erstellen von Projektskizzen Manuelle Überarbeitung Bild animiert

17 Erstellen von Projektskizzen Manuelle Überarbeitung Bild animiert

18 Bsp.: Projektskizzen mit großem Potential Exemplarischer Standort: Fallhöhe: Δh = 189 m Stollenlänge: L = 965 m Leistung: P = 542 MW Beckenvolumen: ca. 5,8 Mio.m³ Das Ergebnis stellt eine Abschätzung des Gesamtpotentials dar. Für die Entwicklung einzelner Standorte ist zwingend eine detaillierte Einzelfallbetrachtung notwendig

19 Leistung [GW] Speicherkapazität [GWh] Es existiert ein erhebliches Pumpspeicherpotential in Niedersachsen Ergebnis: 83 PSW-Standorte 19,6 GW / 98,2 GWh Leistung PSW Potential in Niedersachsen 19,6 Alle PSW Standorte 3,8 10 wirtschaftl. PSW Standorte Speicherkapazität PSW Potential in Niedersachsen 98,2 Alle PSW Standorte 19,2 10 wirtschaftl. PSW Standorte Zehn beste PSW-Standorte in Niedersachsen Gesamtleistung 3,8 GW ±15 % Gesamte Speicherkapazität 19,2 GWh ±15 % Durchschnittliche Leistung 383 MW ±15 % Durchschnittliche Fallhöhe Δh 320 m Durchschnittliches Δh/L 1/6,6 Die 10 besten Standorte weisen gute Voraussetzungen für PSW auf

20 Machbarkeit, Kosten und Ausblick 2030 Inhalt: Technische und wirtschaftliche Machbarkeit Kosten Ausblick 2030 Schritt 1: Grundlagen und Kennwerte Schritt 2: Potentialanalyse Schritt 3: Machbarkeit Kosten Ausblick

21 Technische Machbarkeit ist prinzipiell für alle Speichertechnologien (PSW, AA-CAES, H2-Speicher) gegeben 1a. Technische Machbarkeit PSW Technisch ausgereift und kommerziell verfügbar Nicht/bedingt geeignet als Langfristspeicher Enorm große Becken erforderlich Ebenheit Akzeptanz und Genehmigungsfähigkeit Quelle: Gemeinde Goldisthal Visualisierungen Oberbecken PSW-Projekt Atdorf Quelle: Schluchseewerk AG

22 /MWh Power Exchange Market Price Börsenstrompreis [ /MWh] Erträge für Speichersysteme sind rückläufig. Sowohl Base-Peak- Spread als auch Preise für Regelenergie nehmen ab 1b. Wirtschaftliche Machbarkeit Deckungsbeiträge Base-Peak-Spread Abnahme in der Vergangenheit Prognose: weiterer Rückgang erwartet Regelenergie Sinkende Preise für Regelenergie Besonders signifikanter Rückgang bei Sekundärund Tertiärregelenergie Ergebnis: Wirtschaftlichkeit für Speicherprojekte derzeit nicht (bzw. sehr schwer) darstellbar Speicherprojekte werden kaum umgesetzt bzw. nicht weiterentwickelt PC= Primärregelung SC= Sekundärregelung TC= Tertiärregelung [ /MWh el] Base and Peak prices for electricity in Germany Base und Peak Preise in Deutschland Base Prognose PeakQuelle: -20% -28% Quelle: Fichtner -54% PC SC TC Quelle: Fichtner

23 LEC [ /MWh] PSW und AA-CAES als KFS und MFS kostengünstig, H2-Speicher allein als LFS vorteilhaft 2. Kosten (LEC): Priorisierung der Speichersysteme 600 LEC (Levelized Electricity Cost) verschiedener Speichersysteme in unterschiedlichen Einsatzszenarien KFS MFS LFS KFS MFS LFS KFS MFS LFS KFS MFS LFS KFS MFS LFS PSW als Kurzfrist- (KFS ) und Mittelfristspeicher (MFS) am günstigsten, gefolgt von AA-CAES Starker Anstieg der LEC bei PSW und AA-CAES als Langfristspeicher (LFS) H2-Speicherung in Kaverne als LFS vorteilhafter als PSW, jedoch teurer als AA-CAES H2-Speicherung in Kaverne (Pfad 1) vorteilhafter als direkte Einspeisung von H 2 (Pfad 2) bzw. E-Methan (Pfad 3) ins Erdgasnetz und Rückverstromung mit Brennstoffzelle PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz Kurzfristspeicher (KFS) Mittelfristspeicher (MFS) Langfristspeicher (LFS) Quelle: Fichtner

24 Zusammensetzung LEC stark abhängig von Speichertechnologie und Einsatzszenario 2. Kosten (LEC): Priorisierung der Speichersysteme PSW und AA-CAES Sehr hoher Anteil des arbeitsspezifischen CAPEX beim Einsatz als Langfristspeicher (LFS) Einsatzszenario hat wichtigen Einfluss auf Zusammensetzung (und Höhe) der LEC H2-Speicher Arbeitsspezifischer CAPEX spielt praktisch keine Rolle (<1%) Zusammensetzung der LEC wird wenig vom Einsatzszenario beeinflusst % 70% 4% Quelle: Fichtner PSW (KFS) 13% 3% 2% PSW (MFS) 11% PSW (LFS) 3% 19% 16% 3% 74% 69% 68% 31% 16% AA-CAES (KFS) 20% AA-CAES (MFS) 19% AA-CAES (LFS) 10% 4% 7% 5% 8% 43% 46% 46% 45% H 2 Kaverne (KFS) 11% 11% 0,3% 43% H 2 Kaverne (MFS) 11% 0,4% H 2 Kaverne (LFS) Diagramm zum rauskopieren der Legende CAPEXspez,P (leistungsspez.) OPEX fix (O&M) 0,6% 43% 43% CAPEXspez,C (arbeitsspez.) OPEX var (Strombezugskosten) Kurzfristspeicher (KFS); Mittelfristspeicher (MFS); Langfristspeicher (LFS)

25 Ausblick 2030: Insbesondere bei Wasserstoffspeichern werden Verbesserungen (Wirkungsgrad, Kosten, etc.) erwartet 3. Ausblick 2030 Annahmen für mögliche zukünftige technologische Verbesserungen im Jahr 2030: PSW: - Wirkungsgrad und Investitionsaufwand: unverändert (bewusst konservative Annahme) AA-CAES: - Leistungsspezifischer Investitionsaufwand: -20 % (Annahme) H2-Speicher: - Gesamtwirkungsgrad: Verbesserung um % 1 - Leistungsspezifischer CAPEX: rd. -60 % 2 - Lebensdauer für PEM Elektrolyseur und PEM Brennstoffzelle: Volllastbetriebsstunden (heute: VBh) Allgemein: - Ladestrompreis : 20 /MWh für alle Technologien (Annahme) 1 Quelle: Abschätzung nach Genoese Elektrolyse: + 25 % - Brennstoffzelle: + 25 % - Methanisierung: +5 %-Punkte 2 Quelle: Abschätzung nach dena 2010a und Albrecht et al Elektrolyse: - 60 % - Brennstoffzelle: - 58 % - Methanisierung: - 58 %

26 LEC [ /MWh] LEC [ /MWh] LEC [ /MWh] Ausblick 2030: H2-Speicher zukünftig als Langfristspeicher günstigste Technologie 3. Priorisierung Speichersysteme 2030 Pumpspeicher (PSW) als Kurz- und Mittelfristspeicher auch zukünftig zu bevorzugen H 2 -Speicher als Langfristspeicher vorteilhafteste Technologie heute heute 2030 LEC Kurzfristspeicher PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz LEC Mittelfristspeicher PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz heute LEC Langfristspeicher Quelle: Fichtner

27 Zusammenfassung und Ausblick Potentialanalyse Erhebliches technisches Potential für Pumpspeicher in Niedersachsen vorhanden Machbarkeit Technische Machbarkeit gegeben Wirtschaftliche Machbarkeit auf Basis des derzeitigen Marktdesigns kaum darstellbar Priorisierung und Kosten Pumpspeicher: Heute als Kurz- und Mittelfristspeicher günstigste Technologie Ausblick 2030 Pumpspeicher auch zukünftig als Kurz- und Mittelfristspeicher am vorteilhaftesten

28 Vortrag Potentiale konventioneller Pumpspeicher in Niedersachsen und damit einhergehende Kosten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! FICHTNER GmbH & Co. KG Sarweystrasse Stuttgart Germany Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Florian.Klumpp@fichtner.de