Kann sich die Schweiz mit Strom aus nur erneuerbaren Energien selbst versorgen?

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1 Kann sich die Schweiz mit Strom aus nur erneuerbaren Energien selbst versorgen? Prof. Dr. Anton Gunzinger Supercomputing Systems AG Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zürich Tel Fax info@scs.ch Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

2 Kann sich die Schweiz mit Strom aus nur erneuerbaren Energien selbst versorgen? Realisation einer Simulationsumgebung für die Elektrizitätswirtschaft Schweiz mit Untersuchung: 1. Energiebilanz 2. Leistungsbilanz 3. Volkswirtschaftlichen Kosten 4. Stromhandel 5. Netz Simulation möglicher Szenarien: 1. «Weiter Wie Bisher» 2. Neue Kernenergie 3. Energieszenarien des Bundes 4. Nur Photovoltaik 5. Energieszenarien mit 100% erneuerbarer Energie 6. dezentrale Speicherung 7. Lastverschiebung 2 Zürich by Supercomputing Systems AG

3 Simulationssystem Wetter (t) Produktion Thermische Kraftwerke E Thermisch P Thermisch Photovoltaik E Photo (t) P Photo (t) Gaskraftwerke (GuD) E GuD P GuD (t) Biomasse E Biomasse P Biomasse Kernkraft E Kern P Kern Geothermie E Geothermie P Geothermie Laufwasser- Kraftwerke E Laufwasser P Laufwasser Wind E Wind (t) P Wind (t) Import Verlustbehaftetes Netz (Transport & Transformation) Export Kurzzeit- Speicher E Kurzzeit (t) P Kurzzeit (t) Speicher- Kraftwerk E Speicher (t) P Speicher (t) Verbraucher E Verbrauch P Verbrauch (t) Regelbare Last E Regelbar (t) P Regelbar (t) Speicher Konsum 3 Zürich by Supercomputing Systems AG

4 Grundlagen für alle Simulationen Gleicher Energieverbrauch (60 TWh/a) wie 2010 Verbrauchsstatistik 2010 (Zeitauflösung 15 ): swissgrid Produktionsstatistik 2010 (Zeitauflösung 1 Tag 1 Woche): Bundesamt für Energie und swissnuclear Speicherseen Füllgrad-Statistik 2010 (Zeitauflösung 1 Woche): Bundesamt für Energie Solar/Wind-Statistik CH (Jahresverlauf mit Zeitauflösung 1 ): meteonorm (40 Standorte für PV: 20 in Städten, 20 auf Bergen; 20 Standorte für Wind) Ausbau Speicherseen auf 10 TWh wie geplant Ausbau Pumpspeicherwerke auf 5GW/ 200 GWh wie geplant Abschätzung Netzverluste, Speicherverluste Pumpspeicherwerke, Speicherverluste lokale Speicherung Abschätzung Netzbelastung 4 Zürich by Supercomputing Systems AG

5 Jährliche Globalstrahlung 5 Zürich by Supercomputing Systems AG

6 Monatliche Globalstrahlung balstrahlung (kwh/m 2 ) Glo Monatliche Sonneneinstrahlung (Städte) Zürich 100 Bern Basel 80 Chur Lugano 60 Zermatt Poschiavo 40 Lausanne Andermatt 20 Samedan El Oued (Sahara) 0 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monat balstrahlung (kwh/m 2 ) Glo Monatliche Sonneneinstrahlung (Berge) 120 Dufourspitze 100 Finsteraarhorn Combin de Valsorey 80 Titlis Piz Palü 60 Adula (Rheinwaldhorn) Piz Buin 40 Nesthorn Cardada 20 Tödi El Oued (Sahara) 0 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monat 6 Zürich by Supercomputing Systems AG

7 Simulation: Spielregeln für die Kraftwerke Deckung des Bedarfs Decke den Bedarf zunächst aus Thermischen Kraftwerken, Laufwasserkraft, Kernkraftwerken (falls vorhanden), Biomasse (falls vorhanden), PV (falls vorhanden) und Wind (falls vorhanden) Für weiteren Bedarf dezentrale Batterie hinzuziehen Für weiteren Bedarf Pumpspeicherwerke dazu nehmen Im Bedarfsfall zusätzlich GuD (falls vorhanden) Restbedarf durch Speicherkraftwerke Bei Überproduktion Anfallenden Überschuss in dezentralen Batteriespeicher abführen Restlichen Überschuss in Pumpspeicherseen pumpen (Stauseen werden primär für den Jahresausgleich verwendet) Restlicher Überschuss «wegwerfen» oder ins Ausland verkaufen Lastverschiebung Falls ein Solarüberschuss absehbar ist (am aktuellen Tag), fange diesen zunächst möglich durch verschobene Last ab 7 Zürich by Supercomputing Systems AG

8 Szenarien 1. Weiter Wie Bisher 2. Weiter Wie Bisher mit neuer Kernkraft 3. Bund NEP-E 4. Nur Solar 5. Solar und Wind 6. Solar, Wind und Biomasse 7. Solar, Wind, Biomasse und Batterie 8. Lastverschiebung 8 Zürich by Supercomputing Systems AG

9 Weiter Wie Bisher WWB Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

10 Weiter Wie Bisher: Parameter 10 Zürich by Supercomputing Systems AG

11 Weiter Wie Bisher: Jahresbilanz 11 Zürich by Supercomputing Systems AG

12 Weiter Wie Bisher: Verlauf einer Sommerwoche 12 Zürich by Supercomputing Systems AG

13 Weiter Wie Bisher: Verlauf einer Winterwoche 13 Zürich by Supercomputing Systems AG

14 Weiter Wie Bisher: Energieproduktion im Jahresverlauf 14 Zürich by Supercomputing Systems AG

15 Weiter Wie Bisher: Energiekonsum im Jahresverlauf 15 Zürich by Supercomputing Systems AG

16 Weiter Wie Bisher: Verwendung überschüssiger Energie 16 Zürich by Supercomputing Systems AG

17 Weiter Wie Bisher: Füllstand der Speicherseen 17 Zürich by Supercomputing Systems AG

18 Weiter Wie Bisher: Netzbenutzung 18 Zürich by Supercomputing Systems AG

19 Weiter Wie Bisher: Kostenschätzung 19 Zürich by Supercomputing Systems AG

20 Nur Solarausbau auf 18 GW (40 Orte: 20 Mitteland, 20 Berge) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

21 21 Zürich by Supercomputing Systems AG

29 Solar + Wind (preiswerte Solarzellen von CHF 1500 pro kwp) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

30 Solar + Wind (A): Parameter 30 Zürich by Supercomputing Systems AG

31 Solar + Wind (A): Jahresbilanz 31 Zürich by Supercomputing Systems AG

32 Solar + Wind (A): Verlauf einer Sommerwoche 32 Zürich by Supercomputing Systems AG

33 Solar + Wind (A): Verlauf einer Winterwoche 33 Zürich by Supercomputing Systems AG

34 Solar + Wind (A): Energieproduktion im Jahresverlauf 34 Zürich by Supercomputing Systems AG

35 Solar + Wind (A): Energiekonsum im Jahresverlauf 35 Zürich by Supercomputing Systems AG

36 Solar + Wind (A): Verwendung überschüssiger Energie 36 Zürich by Supercomputing Systems AG

37 Solar + Wind (A): Füllstand der Speicherseen 37 Zürich by Supercomputing Systems AG

38 Solar, Wind, Biomasse und Batterie (Erneuerbar-B) Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

39 Erneuerbar (B): Parameter 39 Zürich by Supercomputing Systems AG

40 Erneuerbar (B): Jahresbilanz 40 Zürich by Supercomputing Systems AG

41 Erneuerbar (B): Verlauf einer Sommerwoche 41 Zürich by Supercomputing Systems AG

42 Erneuerbar (B): Verlauf einer Winterwoche 42 Zürich by Supercomputing Systems AG

43 Erneuerbar (B): Energieproduktion im Jahresverlauf 43 Zürich by Supercomputing Systems AG

44 Erneuerbar (B): Energiekonsum im Jahresverlauf 44 Zürich by Supercomputing Systems AG

45 Erneuerbar (B): Verwendung überschüssiger Energie 45 Zürich by Supercomputing Systems AG

46 Erneuerbar (B): Füllstand der Speicherseen 46 Zürich by Supercomputing Systems AG

47 Lastverschiebung Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

48 Lastverschiebung: Parameter 48 Zürich by Supercomputing Systems AG

49 Lastverschiebung: Jahresbilanz 49 Zürich by Supercomputing Systems AG

50 Lastverschiebung: Verlauf einer Sommerwoche 50 Zürich by Supercomputing Systems AG

51 Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

52 Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen 52 Zürich by Supercomputing Systems AG

53 Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen: Wochenvergleich 53 Zürich by Supercomputing Systems AG

54 Die veränderte Einsatzstrategie der Speicherseen: Jahresvergleich 54 Zürich by Supercomputing Systems AG

55 Zusammenfassung Simulation der Szenarien Alle vorgeschlagenen Szenarien des Bundes sind realisierbar (d.h., der Ausstieg aus der Kernenergie ist möglich) Eine Versorgung der Schweiz mit elektrischer Energie aus Wasser & Sonne ist ohne Ausbau der Speicherseen nicht möglich; es fehlt im Winterhalbjahr rund 1 TWh. Eine Versorgung der Schweiz aus 100% erneuerbaren Energien (Wasser, Sonne, Wind und Biomasse) ist ohne Ausbau der Speicherseen/ Pumpspeicherwerken möglich. Es gibt mehrere mögliche Lösungen. Die Schweiz ist geradezu ideal für die Energiewende vorbereitet Der stufenweise Ausstieg aus der Kernenergie ist auch ohne GuD möglich (wurde simuliert aber hier nicht gezeigt) Bei allen Simulationen wurde die Schweiz als «Insel» betrachtet; es ist möglich, zusätzliche Geschäftsmodelle mit Stromhandel diesen Simulationen zu überlagern (siehe unten). 55 Zürich by Supercomputing Systems AG

56 Volkswirtschaftliche Kosten Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

57 3.0 Volkswirtschaftliche Kosten Im folgenden werden nun die volkswirtschaftlichen Kosten für die verschiedenen Szenarien abgeschätzt. Die gewählten Parameter sind plausible Einschätzungen von Anton Gunzinger; sie können verändert werden. Das Modell steht für Simulationen zur Verfügung. Bei Szenario WWB wird mit einer Erneuerung der Kernenergie gerechnet, da auch die bestehenden Kernkraftwerke erneuert werden müssen Die Mehrkosten sollten in Bezug auf dieses Szenario verglichen werden Es werden keine Aussagen zur Finanzierung gemacht (diese wird durch die Politik bestimmt) 57 Zürich by Supercomputing Systems AG

58 3.1 Volkswirtschaftliche Kosten der Energieträger Kosten [Rp/ kwh] Flusskraftwerke 4.0 Speicherkraftwerke (heute 4.5 Rp/kWh) 5.5 Kernkraftwerke (heute, ohne Risikoabgeltung) 5.6 Kernkraftwerke (heute, inkl Risiko) 23.5 Kosten Supergau: CHF 5000 Mia, 0.2 / KKW & a, 5 KKW s Produktion: ca. 28 TWh/Jahr Kernkraftwerke (neu, ohne Risikoabgeltung) 1.5 GW à 10 Mia CHF, Zins: 6%, Lebensdauer: 50 Jahre, Unterhalt: 3%, Produktion: ca. 12 TWh/Jahr Solar 1 kwp à 1.5 kchf, Zins: 3%, Lebensdauer: 25 Jahre, Unterhalt: 1%, Produktion: ca kwh/jahr Wind MWp à 2 MCH, Zins: 4.5%, Lebensdauer: 40 Jahre, Unterhalt: 4%, Produktion: ca MWh / Jahr KVA 6.0 GuD 1 MWp à 1 MCH, Zins: 4.5%, Lebensdauer: 30 Jahre, Unterhalt: 1%, Brennstoff: 5 Rp/ kwh, Betrieb: ca Volllaststunden/Jahr Zürich by Supercomputing Systems AG

59 3.2 Volkswirtschaftliche Kosten der Szenarien Kosten [Mia CHF/a] Kosten [Rp/ kwh] WWB (ohne Risiko) WWB (mit Risiko 0.2 ) *) WWB mit neuen KKW (ohne Risiko) Bund NEP-E Solarausbau-A (1 Standort) (keine Autarkie!) 9.46 (keine Autarkie!) 15.8 Solarausbau-B (40 Standorte) (keine Autarkie!) 9.24 (keine Autarkie!) 15.4 Solar & Wind Solar & Wind & Biomasse Solar & Wind & Biomasse & Batterie Batterien Lastverschiebung *) Kosten Supergau: CHF 5000 Mia, 0.2 / KKW & a, 5 KKW s 59 Zürich by Supercomputing Systems AG

60 3.3 Finanzierung der Solarenergie (Vorschlag) Keine langfristigen Verpflichtungen (nur Anschubfinanzierung) CHF 500 pro kwp Solarenergie für 2014, Degression 10% pa CHF 250 pro kwh Batterie für 2014, Degression 10% pa Eigenverbrauchsregelung & Einspeisung zu Marktpreisen Steuerabzug Keine Leistungslimitierung Max 100 Mio CHF /a Zeitpunkt Anschubfinanzierung: Erste Einspeisung ins Netz (Tatbeweis) Zum Vergleich: Entsorgung Kernenergie Mio. CHF /a 60 Zürich by Supercomputing Systems AG

61 Netze Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

62 4.1 Elektrische Netze heute: Mengengerüst nach Ebenen Netzeb ene Spannung [kv] Anzahl Regionen Anzahl Abgänge Zeitwert [MCHF] Tot: 18 Mia Zeitwert Relativ auf Total N1 220/ % N2 148 Trafos (inkl. Res.) 350 2% N Ca % N Trafos (inkl. Res) % N5 1-36? (<2600) % N Trafos N7 < (Verteilkabine) % 39.2% Ca. 75% Quelle: ElCom 2010, Jahresbericht 2400/600: Geschätzt mittels ElCom Zahlen 62 Zürich by Supercomputing Systems AG

63 4.2 Stromfluss- und Spannungsmuster im elektrischen Netz Ideale Netzstruktur für zentrale Produktion, dezentraler Verbrauch: hierarchisches Netz Ideale Netzstruktur für dezentrale Produktion, zentraler Verbrauch: hierarchisches Netz Ideale Netzstruktur für dezentrale Produktion, dezentraler Verbrauch: hierarchisches Netz K K K K K P P P P P P P K P P K K K K K P P P P P K K p K P Die heutige Netzstruktur ist optimal für dezentrale Einspeisung geeignet. 63 Zürich by Supercomputing Systems AG

64 4.3 Elektrische Netzarchitektur heute Wenige Einspeisepunkte auf Hochspannungsebene Hierarchische Netzebenen, Stromfluss Top-Down Management: Planung («Fahrplan»), autom. Regelung, manuelle Eingriffe 64 Zürich by Supercomputing Systems AG

65 4.4 Elektrische Netzarchitektur morgen Einspeisung neu auf jeder Ebene, dezentral Energiefluss zeitlich stark schwankend, bidirektional Voraussetzung: intelligentes Netzmanagement, dezentral, auf allen Ebenen 65 Zürich by Supercomputing Systems AG

66 4.5 Besondere Herausforderung: PV Dezentrale Einspeisung verursacht hohe Dynamik im Netz Im Besonderen kann PV so ausgebaut werden, dass das Verteilnetz überlastet ist. Die Leistungsschwankungen der PV können zu hohen Spannungsschwankungen im Verteilnetz führen Beispielanlage: EWZ (installierte Leistung 60 kwp) Leistung (kw) Tagesverlauf Beispielsanlage (60 kwp) am Installierte Leistung Grenze für Kappung Tagesverlauf (nominal) Uhrzeit (Stunde) 66 Zürich by Supercomputing Systems AG

67 4.6 Herausforderung PV Solaranlagen Durchschnittsverbrauch eines Anschlusses ca. 1.1 kw / Anschluss Installierte PV-Leistung doppelt so hoch: 2.2 kw / Anschluss Einspeisungsvarianten Direkteinspeisung: Spitzenkappung: Batteriespeicher: Leistung der PV-Anlage geht direkt ins Netz Einspeisungsbegrenzung bei 70%-Peakleistung Geglättete Sollkurve für PV-Einspeisung Speicherkapazität für 1h Peakleistung Philosophie: «gnädig zum Netz sein» Fragen von Interesse Was für eine Residuallast ergibt sich? Helfen Kappung / Batterie, Einstrahlungsschwankungen auszugleichen? 67 Zürich by Supercomputing Systems AG

68 4.7 Herausforderung PV: Datenquellen Verbrauchskurve (Quelle: EWZ) Wohngebiet mit >500 Anschlüssen Messdaten Zeitauflösung von 15 min Wetterdaten (Quelle: meteonorm-software) Solareinstrahlung für Raum Zürich Simulierte Daten für ein typisches Jahr Zeitauflösung von 1 min (angepasst für 15 min) 68 Zürich by Supercomputing Systems AG

69 Sommerwoche: Verbrauchskurve 69 Zürich by Supercomputing Systems AG

70 Winterwoche: Verbrauchskurve 70 Zürich by Supercomputing Systems AG

71 Direkteinspeisung Sommerwoche: Lastgang 71 Zürich by Supercomputing Systems AG

72 Direkteinspeisung Winterwoche: Lastgang 72 Zürich by Supercomputing Systems AG

73 4.8 Lösungsansatz 1: Kappung der Leistungsspitzen Es wird eine Grenze festgelegt (z.b. 70%), Tagesverlauf bei der Beispielsanlage die Einspeisung (60 kwp) am begrenzt wird Wie gross sind die Verluste? Produktion (nominal): kwh Produktion (gekappt): kwh Verluste: kwh Verluste: 4.3 % (Betrachteter Betriebszeitraum: Juli September 2012) Geringe Verluste, da Peaks nur kurz Leistung (kw) Installierte Leistung Grenze für Kappung Tagesverlauf (gekappt) Uhrzeit (Stunde) 73 Zürich by Supercomputing Systems AG

74 Spitzenkappung Sommerwoche: Lastgang 74 Zürich by Supercomputing Systems AG

75 4.9 Lösungsansatz 2: Dezentrale Speicher Idee: Es werden dezentrale Speicher eingesetzt, die sowohl die Produktionsspitzen der PV wie auch die Lastspitzen des Verbrauchers brechen können Solar Pannel Batteriekosten: CHF 300/ kwh Nutzbare Zyklen: 5000 Speicherkosten: 6 Rp./ kwh Netz 4 Port Wechselrichter Kunde Durch diesen Ansatz wird das Netz trotz dezentraler Einspeisung noch stabiler als heute. Einziger Nachteil: Kosten Batterie 75 Zürich by Supercomputing Systems AG

76 4.10 Controller für die Batterie Annahmen Residuallastkurve darf (über Mittag) negativ werden, muss in einem beschränkten Rahmen (±P verbrauch,max ) sein Batterie wird zur Netzstabilisierung eingesetzt Steuerung Berechne eine «hinreichend brave» Sollkurve für die PV-Einspeisung («brav» = wenig Rippel) Die Batterie kompensiert die Abweichungen vom Sollwert Ist > Soll: Ist < Soll: Verschiebe den Überschuss in die Batterie Entnehme den Fehlbetrag der Batterie Falls Batterie voll: Überschuss muss abgeregelt werden («waste») 76 Zürich by Supercomputing Systems AG

77 Sommerwoche: Lastgang 77 Zürich by Supercomputing Systems AG

78 Sommerwoche: Lastgang 78 Zürich by Supercomputing Systems AG

79 Quervergleich Residuallast Direkteinspeisung, Spitzenkappung, Batteriespeicher 79 Zürich by Supercomputing Systems AG

80 Sommerwoche: Verbrauchskurve 80 Zürich by Supercomputing Systems AG

81 Sommerwoche: Residuallastkurve Direkteinspeisung 81 Zürich by Supercomputing Systems AG

82 Sommerwoche: Residuallastkurve Spitzenkappung 82 Zürich by Supercomputing Systems AG

83 Sommerwoche: Residuallastkurve Batteriespeicher I 83 Zürich by Supercomputing Systems AG

84 Sommerwoche: Residuallastkurve Batteriespeicher III 84 Zürich by Supercomputing Systems AG

85 4.11 Lösungsansatz 3: Nutzung brachliegender Netzkapazität Zustand heute Zielzustand Optimale Nutzung der brachliegenden Netzkapazitäten durch intelligentes Netzmanagement reduziert die Investitionen in den Netzausbau massgeblich. 85 Zürich by Supercomputing Systems AG

86 4.11 Lösungsansatz 3: Nutzung brachliegender Netzkapazität Vermutung: Ausnutzung der Netzebenen N4 N7 oft nur 30% aufgrund rudimentärer Nutzungsanalysen (Elektrizitätszähler beim Verbraucher, Schleppzeiger beim Trafo) der Netzebenen N4 N7 erfordert hohe Leistungsreserve. Ziel: kostengünstige, genaue Ausmessung (Echtzeitüberwachung) der Netzebenen N4 N7 ermöglicht an vielen Orten, auf den Netzausbau zu verzichten. Diese Art der Echtzeitüberwachung wird auf den Netzebenen N1 N3 bereits erfolgreich eingesetzt «Smart Grid» Um die Echtzeitüberwachung auch in den Netzebenen N4 N7 einsetzen zu können, muss sie um den Faktor 100 kostengünstiger werden aufgrund der hohen Stückzahlen ( Messpunkte). 86 Zürich by Supercomputing Systems AG

87 Zusammenfassung Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

88 5. Zusammenfassung Die Energiewende (keine Kernkraft, kein zusätzliches CO2) ist in der Schweiz technisch möglich Die volkswirtschaftlichen Kosten sind für alle Energieszenarios im gleichen Rahmen Die Energiewende schafft zusätzliche Arbeitsplätze in der Schweiz Die Energiewende verringert die Auslandabhängigkeit Die Energiewende schafft neue Gewinner und Verlierer Damit sie gelingt, müssen die politischen Weichen richtig gestellt werden Achtung: Es wurde eine (volkswirtschaftliche) Systemoptimierung durchgeführt. Diese wurde nicht auf bestehende Gesetze und Verordnungen überprüft. 88 Zürich by Supercomputing Systems AG

89 Supercomputing Systems AG Vision meets reality. 89 Zürich by Supercomputing Systems AG