Nutzen und Wirtschaftlichkeit zusätzlicher Pumpspeicher bis 2050

Transkript

1 Nutzen und Wirtschaftlichkeit zusätzlicher Pumpspeicher bis 25 Dr. Klaus Krüger, RENEXPO HYDRO am 26. November 215, Salzburg, Austria PSW Goldisthal, 16 MW, 3m Fallhöhe, 8,5 GWh 1 el

2 Was hat sich grundsätzlich geändert? Die bisherigen Energiewenden in Deutschland (Kohle Öl in den 6-7er Jahren; Kohle & Öl Atomenergie in den 7er-9er 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. 2

3 Voith-IAEW * ) Studie zur Untersuchung der Beiträge von PSW Basiert auf dem IAEW Kraftwerksmodell und der IAEW Kraftwerkseinsatzplanung sowie der ETG Studie 212** ). Es wurden dabei folgende Szenarien betrachtet: 23 mit einem 6 % - Anteil von EE in der Erzeugung 25 mit einem 8 % - Anteil von EE in der Erzeugung Bewertung der Pumpspeicher als Multifunktionskraftwerke Kurzzeitspeicher im täglichen Einsatz zur Bereitstellung gesicherter Leistung Portfolioeffekt mit thermischen Kraftwerken und erneuerbaren Energien Weitere Systemdienstleistungen wie Primärregelleistung, Ausgleich von EE-Prognosefehlern, Engpassmanagement,... wurden nicht bewertet. *) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, Prof. Moser, RWTH Aachen **) ETG, Energiespeicher für die Energiewende, Studie des VDE ev, Frankfurt am Main,

4 Annahmen der Studie fast identisch mit ETG-Studie Keine Netzbeschränkungen Beschränkung auf Deutschland, d.h. Import/Export = für elektrische Energie Sonstiger Verbrauch auf Basis von ENTSO-E Daten *) EE-Erzeugung auf Basis vom IWES-Modell **) und Wetterdaten des Jahres 27 EE-Installationskosten und Brennstoffkostenmodell auf Basis der BMU-Leitstudie 21 ***) Perfect Foresight für EE-Erzeugung (Prognosefehler = ) und stundenscharfe Auflösung für ein repräsentatives Jahr (27) Investitionskosten für Zubau PSW 1 /kw (Leistungsteil), 5 /kwh (Speicheranteil) Verhältnis Energie/Leistung für Zubau 3 / 5 / 7 Wh/W, Wirkungsgrad: 8%, Lebensdauer: 6 Jahre gemischter Kapitalzins von 4% *) ENTSO-E: Consumption Data, Online: **) Frauenhofer IWES: Modell "Virtuelles Stromversorgungssystem", Kassel, 212 ***) Nitsch, J., et al.: Leitstudie 21, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: 21 4

5 Methodischer Ablauf Für die Szenarien des EE-Ausbaus 23 und 25 erwarteter Verbrauch und Kraftwerkspark (EE & thermisch) Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubau auf Basis der ETG-Studie erwartete Residuallast Abschätzung der gesicherten Leistung aus Pumpspeichern Anpassung der Leistung von thermischen KW Jahresbetriebsanalyse des Kraftwerks- und Speicherparks Kostenanalyse für jedes Szenario + CO 2 Emissionen 5

6 Abschätzung des wirtschaftlichen Speicherzubaus ø Volllaststunden je Speicherleistung gemäß ETG-Studie *) 4 t [h] 35 3 Zusätzliche Pumpspeicherleistung: 8 GW bei 6% EE (23) 16 GW bei 8% EE (25) Annahme: Zubau muss im Durchschnitt 1. Volllaststunden in Turbinenbetrieb aufweisen PSW Leistung durch Zubau P 3 [MW] 6% 8% weitere signifikante Auslastung durch zusätzliche Systemdienstleistungen möglich *) ETG, Energiespeicher für die Energiewende, Studie des VDE ev, Frankfurt am Main,

7 Ermittlung des Energiebedarfs für sichere Leistung 7 P [GW] Keine Einspeicherung da noch kein Energiebedarf 12 GWh 9GWh 1 GW 6 GWh t [h] Residuallast Speicher 7

8 Versorgungssicherheit Beitrag zur gesicherten Leistung durch PSW Energiebedarf zur Bereitstellung sicherer Leistung E[GWh] sichere Leistung P [GW] 2 Energie EE 4% 4% Energie EE 6% 6% EE Energie 8% 8% Deutschland heute, 7 GW Leistung & 4 GWh 7 GW gesicherte Leistung aus PSW 23, PSW-Zubau von 8 GW Leistung & 96 GWh 13 GW gesicherte Leistung aus PSW 25, PSW-Zubau von 16 GW Leistung & 152 GWh 16,6 GW gesicherte Leistung aus PSW Die Bereitstellung gesicherter Leistung aus allen PSW steigt 23 auf 13 GW 25 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. 8

9 Wochenlastgang 23 (6% EE Szenario) ohne PSW Abregeln von EE MO DI MI DO FR SA SO Einspeichern EE Reduktion der Abregelung mit PSW Ausspeichern EE 9: 16: 1: 8: 17: Glättung Reduktion Spitzenlast MO DI MI DO FR SA SO Thermisch Einspeichern Abregeln Erneuerbare & Must-Run Ausspeichern Last 9

10 Ergebnisse für das 6% EE Szenario (23) 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. 1

11 Wirkung der Pumpspeicher 23 (6% EE Szenario) 6 TWh Verlust durch Abregelung von EE beziehungsweise Überschussproduktion bedeutet: 6 TWh = Jahresproduktion von 9 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 11

12 Wochenlastgang 25 (8% EE Szenario) 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 12

13 Ergebnisse für das 8% EE Szenario (25) 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 23 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. PSW-Zubau muss flexible Lösungen vorsehen, also drehzahlvariable Pumpturbinen und ternäre Sätze, die den hydraulischen Kurzschluss beherrschen 13

14 Wirkung der Pumpspeicher 25 (8% EE Szenario) 17,6 TWh Verlust durch Abregelung von EE beziehungsweise Überschussproduktion bedeutet: 17,6 TWh = Jahresproduktion von 2.64 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 14

15 Wertschöpfung in Deutschland Investitionen und Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland in Mio. / a Wertschöpfung = Investition in D Einsparung von Brennstoff = Mindertransfer von Kapital ins Ausland Verbrauchervorteil /-nachteil in D Investitionen in Gaskraftwerke Investitionen in Pumpspeicherkraftwerke Gesamtinvestitionen in Deutschland Einsparung variabler Stromgestehungskosten durch Speicherzyklen Veränderung der Stromgestehungskosten in Deutschland 23 mit PSW 25 mit PSW 23 ohne PSW 25 ohne PSW 15

16 Ankündigung neue Studie: Prognosefehler RWTH Aachen / Voith Ziel der neuen Studie Bewertung des gesamtwirtschaftlichen Nutzens zusätzlicher Pumpspeicher unter expliziter Berücksichtigung des Ausgleichs von EE- Prognoseabweichungen in Europa (6% EE Szenario für D und EE- Ausbau in Europa für das Jahr 233) Studie wird voraussichtlich im Mai 216 fertiggestellt und anschließend publiziert Die Energiewende gestalten: Mit Pumpspeicherkraftwerken Dr. Roland Münch Juni

17 EE-Prognosefehler für 6% EE Szenario absoluter Prognosefehler absoluter Prognosefehler 2 GW Regelenergie kurzfristiger Handel & Intra-Day Handel 2 GW Deutschland Deutschland + Anrainer Prognosehorizont 6h in 7 h Berücksichtigung in Simulation Berücksichtigung in Simulation 99%-Quantil (88h/a) 95%-Quantil (438h/a) 99%-Quantil (88h/a) 95%-Quantil (438h/a) Ausgleich durch Regelleistung Ausgleich durch Regelleistung Häufigkeit 876 h 438 h 88 h Der 3h-Prognosefehler für das 6% EE Szenario liegt bei etwa 13 GW in D und bei 16 GW in D + Anrainern (99%- Quantil) Ein Kaltstart von thermischen KW ist in dieser kurzen Zeit nicht möglich. Aushelfen können nur PSW, 95%-Quantil 99%-Quantil Absolutwert Prognosefehler (Überspeisung/Unterspeisung) warme th. KW-Reserve, GT oder GuD-Anlagen 17

18 EE-Prognosefehler für 6% EE Szenario absoluter Prognosefehler absoluter Prognosefehler 2 GW GW Deutschland Prognosehorizont 5 6 in h 7 Regelenergie Deutschland + Anrainer Prognosehorizont 6h in 7 h Berücksichtigung in Simulation Berücksichtigung in Simulation 99%-Quantil (88h/a) kurzfristiger Handel & Intra-Day Handel 95%-Quantil (438h/a) 99%-Quantil (88h/a) 95%-Quantil (438h/a) Ausgleich durch Regelleistung Ausgleich durch Regelleistung Häufigkeit 876 h 438 h 88 h Der 3h-Prognosefehler für das 6% EE Szenario liegt bei etwa 13 GW in D und bei 16 GW in D + Anrainern (99%- Quantil) Ein Kaltstart von thermischen KW ist in dieser kurzen Zeit nicht möglich. Aushelfen können nur PSW, 95%-Quantil 99%-Quantil Absolutwert Prognosefehler (Überspeisung/Unterspeisung) warme th. KW-Reserve, GT oder GuD-Anlagen 18

19 Regelleistungsbedarf in D für ein 6% EE Szenario im Vergleich zu heute Regelleistungsbedarf Ergebnis dynamischer Regelleistungsdimensionierung bei 6% EE 8 6 GW Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul AugSep Okt NovDez GW 6 8 MRL SRL positiv MRL SRL positiv SRL negativ MRL negativ Regelleistungsbedarf Historisch ausgeschriebene Regelleistung 214 (27% EE) Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul AugSep Okt Nov Dez höherer Regelleistungsbedarf in Stunden mit hoher prognostizierter EE -Erzeugung 19

20 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 214, Online: VGB-Aufsatz: Krüger K., Rotering N.: Energiewende erfolgreich gestalten durch Pumpspeicherausbau. VGB PowerTech 9/214. Sonderausgabe zum VGB-Kongress "Kraftwerke 214", 17./ in Hamburg. 2