Langfristiger Speicher- und Flexibilitätsbedarf in Europa

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1 DLR.de Folie 1 Langfristiger Speicher- und Flexibilitätsbedarf in Europa Eine Analyse des Einflusses unterschiedlicher energiewirtschaftlicher Rahmenbedingungen EUM Fachtagung Europa Universität Flensburg, 31. März 2016 Dipl. Wi.-Ing. Felix Cebulla Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik Systemanalyse und Technikbewertung

2 DLR.de Folie 2 Agenda I. Motivation und Ziel a. Forschungsfrage II. Methodik a. Energiesystemmodell REMix b. Szenario- und Modellannahmen III. Ergebnisse a. Referenzszenario 2050 b. Szenarienvergleich IV. Zusammenfassung und Ausblick

3 DLR.de Folie 3 Forschungsfrage Speicherbedarf in Langfristszenarien Unsicherheit zukünftiger Stromspeicherbedarf Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien (EE): Studien resultieren in großen Bandbreiten bzgl. Lade-/Entladeleistung & Speicherkapazität Beispiel Deutschland (100% EE-Anteil) GW, TWh Beispiel Europa (100% EE-Anteil) GW, TWh Unterschiede bei Daten und Methoden signifikant Techno-ökonomische Eingangsparameter (Investitions- und Betriebskosten, Wirkungsgrade, Lebensdauer, ) Technischer, räumlicher und zeitlicher Detailierungsgrad Modellierung (innerhalb von Optimierungsansätzen: LP/MILP, Stützjahre, myopisch, Pfadoptimierung, Stochastik) Transparenz/Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, Methodik und Daten schwierig Vergleichbarkeit der Ergebnisse zum Speicherbedarf nur eingeschränkt möglich und innerhalb des jeweiligen Annahmenkonstruktes belastbar! , Bert Droste-Franke, Future Storage and Balancing Demand Ranges, Significance and Potential Improvements of Estimations

4 DLR.de Folie 4 Forschungsfrage Speicherbedarf in Langfristszenarien Emissions zertifikats kosten Brennstoff kosten Konverterleistung? Speicherkapazität? Räumliche Verteilung? Speichernutzung? Netzausbau Speicherbedarf 2050 EU? ungen Investitions- Kosten Abregel-

5 DLR.de Folie 5 METHODIK Modell, Annahmen und betrachtete Szenarien

6 DLR.de Folie 6 Modell Renewable Energy Mix for Sustainable Energy Supply (REMix) Input EE-Potentiale Nachfrageprofile (Strom, Wärme, H2) Kraftwerkspark Kosten OPEX, CAPEX Netze Berechnung Minimierung der Systemgesamtkosten Einhaltung technisch-physikalischer Restriktionen Output Technologieeinsatz (Auslastung) Kapazitätszubau (Speicher, Netze, Kraftwerke)

7 Technologien DLR.de Folie 7 Annahmen Speicher Modellierung Szenario Wasserstoffspeicher Lithium-Ionen (stationär) Pumpspeicher Blei-Säure-Batterien Druckluftspeicher (adiabat) Redox-Flow-Batterien (1) (2) Lade- und Entladewirkungsgrad Selbstentladungsrate Verfügbarkeit Invest.-Kosten Speicher/Konverter Lebensdauer Speicher/Konverter Betriebs- & Wartungskosten (fix/var.) H 2 -Speicherung in Salzkavernen & anschließende Rückverstromung Modellendogener Zubau in allen Szenarien inkl. Zubauoberlimits für H 2 -, Druckluft- und Pumpspeicher Erneuerbare Erzeugung Modellierung Szenario Wind on/offshore Photovoltaik Biomasse Solartherm. KW Laufwasserkraft Speicherwasserkraft Wirkungsgrade Investitionskosten Verfügbarkeit Lebensdauer Betriebs- & Wartungskosten (fix/var.) Endogener Zubau aller Kapazitäten Knotenscharfe Zubaugrenzen basierend auf Potenzialanalyse Prämisse: Bruttostromerzeugung aus EE mindestens 80% Abregelung für fluktuierende EEs nicht kostengebunden Übertragungsnetz Modellierung Szenario AC DC DC Approximation des Drehstromübertragungsnetzes HVDC Übertragungsleitungen Investitionskosten Nettoübertragungsleistung (NTC) Übertragungsverluste TYNDP modifiziert als Startnetz Endogener Netzzubau der bestehenden Leitungen in den Szenarien G+ Restliche Szenarien: exogenes Netz (1) Accupack 10 cellen side by side" by Accu4all - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - (2)

8 DLR.de Folie 8 REFERENZSZENARIO 2050 Speicherzubau und -Nutzung

9 DLR.de Folie 9 Kapazitäten Europa s.t. EE-Erzeugung 80% Europa W offshore: W onshore: PV: 460 GW 330 GW 390 GW Deutschland W offshore: W onshore: PV: 50 GW 60 GW 90 GW 50 GW

10 DLR.de Folie 10 Speicherleistung Europa 166 GW Deutschland 30 GW

11 Relativer Speicherfüllstand [-] Relative Konverterleistung [-] DLR.de Folie 11 Speichernutzung 1,00 0,50 0,00 1,00 0,50 0,00 Iberia: Li-Ion 1,00 0,50 0,00-0,50-1, East: acaes 1,00 0,50 0,00-0,50-1, ,00 0,50 0,00 France: H 2 1,00 0,50 0,00-0,50-1, Zeit [h] Füllstand Konverterleistung

12 Amprion1 Amprion2 Amprion3 Amprion4 Amprion5 Amprion6 Transnet1 Transnet2 Tennet1 Tennet2 Tennet3 Tennet4 Tennet5 Tennet6 50Hertz1 50Hertz2 50Hertz3 50Hertz4 Leistung [GW] 50Hertz1 DLR.de Folie 12 Speichernutzung 50Hertz1 Zubau Konverter [GW] Korrelation Speicherbeladung u. Erzeugung Lithium-Ionen H2-Speicher Druckluft -1,00-0,50 0,00 0,50 1,00 H2-Speicher Gasturbine Lithium-Ionen Druckluft Redox-Flow Braunkohle Konventionell WindOnshore WindOffshore PV Speicherbeladung korreliert mit der in der Region vorherrschenden erneuerbaren Ressource und antikorreliert mit konventioneller Erzeugung Energie-zu-Leistungsverhältnis (E2P): Li-Ion=3h, Druckluft=18h, H2=180h

13 DLR.de Folie 13 Speichernutzung in 50Hertz1 Lithium-Ionen Beladen Entladen

14 Beladen DLR.de Folie 14 Speichernutzung in 50Hertz1 Kurzzeit Mittelfrist Langzeit Energie-zu-Leistungsverhältnis (E2P) 2 h 18 h 180 h (~8 d) Lithium-Ionen CAES H 2 -Speicher Relative Häufigkeitsverteilung der Beladungsintensität Relative Ladeleistung [-]

15 DLR.de Folie 15 Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion SZENARIENVERGLEICH Einfluss auf Speicherzubau und -Nutzung

16 EE + Konv. [GW] EE + Konv. [GW] Szenario G+ Speicher- Inv_low EEInv_high CO2_low BS_high Abr.010 Abr.003 Ref CO2_high BS_low G- Speicher- Inv_high EEInv_low DLR.de Folie 16 Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion Szenarienvergleich Einfluss auf den Zubau der Kapazitäten in Europa A WindOffshore WindOnshore PV GuD Braunkohle

17 Flex. Opt. [GW] Flex. Opt. [GW] Szenario G+ Speicher- Inv_low EEInv_high CO2_low BS_high Abr.010 Abr.003 Ref CO2_high BS_low G- Speicher- Inv_high EEInv_low DLR.de Folie 17 Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion Szenarienvergleich Einfluss auf den Zubau der Flexibilitätsoptionen in Europa A B C D Wasserstoff Gasturbine Li-Ionen CAES PSW Redox-Flow

18 DLR.de Folie 18 ZUSAMMENFASSUNG Kernaussagen und Ausblick

19 DLR.de Folie 19 Zusammenfassung & Ausblick Speicherleistung und Kapazität in den untersuchten Szenarien stark sensitiv: EU: GW, 12 54TWh DE: 13 39GW, 1 7TWh Die anteilmäßige Zusammensetzung des Speicherzubaus summiert über das Betrachtungsgebiet jedoch in allen Untersuchungsfällen ähnlich Für die Integration von EE können Speicher zu großen Teilen durch Netzausbau substituiert werden Geringer Einfluss von Brennstoff- und Emissionszertifikats-Preispfaden sowie Abregelungsbegrenzungen auf europäischer Ebene Bei knotenscharfer Betrachtung jedoch erkennbare Unterschiede insbesondere in der Struktur des Flexibilitätsportfolios Notwendige/mögliche weitere Sensitivitäten: Räumliche und zeitliche Auflösung Lastzeitreihen Weitere Flexibilitätsoptionen ggf. Kopplung zum Wärmemarkt und Transportsektor Modellierungsansatz für konventionelle Kraftwerke (MILP vs. LP) Kostengebundene oder knotenspezifische Abregelungslimits Modellmethodik: myopische, Ausbaupfad optimierende oder rollierdende Ansätze

20 DLR.de Folie 20 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Dipl. Wi.-Ing. Felix Cebulla Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik Systemanalyse und Technikbewertung