Der Energiespeicherbedarf Europas Für ein Erneuerbares Energieszenario im Elektrizitätssektor Tobias Tröndle Ulrich Platt Werner Aeschbach-Hertig Klaus Pfeilsticker IUP Heidelberg Dresden, den 16.03.2011
Einführung Elektrizitätsversorgung Ausgangspunkt: Der Umbau der Stromversorgung auf Erneuerbare Energien (EE) ist wegen der Ressourcenverknappung und Begrenzung des anthropogenen Klimawandels notwendig Die größten Potentiale der EE für den Elektrizitätssektor liegen bei der Nutzung von Sonnen- und Windenergie Herausforderung: Diese Energiequellen sind zeitlich und örtlich variabel, also nicht an den Bedarf angepasst.
Einführung Schwankende Energiequellen Lösungsmöglichkeiten (4): 1. Bereitstellen von regelbaren Backupkraftwerken (z.b. Biomasse) 2. Anpassung des Bedarfs an das Angebot (Lastverschiebung/Smart Grid) für kurzzeitige Schwankungen 3. Glättung von Schwankungen durch Verbindung verschiedener Standorte und Energiequellen 4. Einsatz von Energiespeichern für eine bedarfsgerechte Versorgung Vorwiegend Pump- und Druckluftspeicherkraftwerke scheinen geeignet um den Ansprüchen in Leistung und Speichergröße gerecht zu werden Energiespeicherung führt zu zusätzlichen Kosten (5-10 ct/kwh für Pumpspeicher und 5 35 ct/kwh für Druckluftspeicher (VDE, 2009)) Speicherverluste (10% - 30% je Zyklus)
Modellüberblick Der Aufbau Modelldaten und Benutzer Einstellungen Elektrizitätserzeugung durch schwankende Energiequellen Angleichung von Elektrizitätserzeugung und Bedarf Ausgabe der Ergebnisse 1 2 3 4 - Globale Wetterdaten (ERA-40) - Modellregionen - Kraftwerkdaten - Szenario Definition - Platzierung der EE-Anlagen - Berechnung der Stromproduktion auf Stundenbasis - Regelung steuerbarer Kraftwerke - Energiespeicher - Lastgangverschiebung (Smart Grid) - Lastgänge - Kraftwerkauslastung - Speicherstand - CO 2 -Emissionen
Szenarien Der Energiemix (Zwischenergebnisse) Energiemix für Europa ist orientiert an Energie [r]evolution Studie (Greenpeace, DLR 2009) Referenzszenario (2005) und [r]evolution Szenario (2050 - fast 100% EE) Energiemix Referenz Szenario Energiemix [r]evolution Szenario
Zwischenergebnisse Modellierte Auslastung Steigender Anteil an EE reduziert den Einsatz herkömmlicher thermischer Kraftwerke Begrenzte Verfügbarkeit guter Standorte für EE-Anlagen 100 Auslastung in % 80 60 40 20 Coal+Lignite Gas+Oil+Diesel Nuclear Wind on shore Wind off shore PV+CSP Ocean 0 Referenz 20% 40% 60% 80% [r]evolution EE Szenario Nutzungsgrade der installierten Kraftwerkleistungen
Zwischenergebnisse Modellierter Speicherbedarf Bis 40% der Umsetzung ist der Speicherbedarf gering Ab 40% der Umsetzung, exponentieller Anstieg bis auf 40 TWh Max. Speicher in GWh 10 5 10 4 10 3 100 10 Pumpspeicherpotential Norwegens: 84 TWh (SRU, 2011) Aktuelle Pumpspeicherkapazität Deutschlands: 40 GWh (SRU, 2011) 1 Referenz 20% 40% 60% 80% [r]evolution EE Szenario Maximal benötigte Speicherkapazität
Zwischenergebnisse Modellierter Speicherbedarf Speicherstand in TWh 50 40 30 20 10 Speicherverweilzeiten von anfangs 3h, bis 5700h im Endszenario Speicherbedarf für kurzzeitige Schwankungen lässt sich gut durch Lastverschiebung reduzieren 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Zeit in h TWh Jahresgang der Speichernutzung 29.0 28.8 28.6 28.4 28.2 28.0 Normal 10% 12h 30% 24h 27.8 27.6 2064 2088 Zeit in h 2112 2136 Speichernutzung bei normaler Stromnachfrage und mit Lastverschiebung: 10 % Lastverschiebung für max. 12 h 30 % Lastverschiebung für max. 24 h
Zwischenergebnisse Saisonales Angebot Sonnen und Windenergie ergänzen sich im Jahresgang was sich positiv auf den Speicherbedarf auswirkt Ein reines Windszenario würde 270TWh Speicher benötigen anstelle von 40TWh kw / kw p 1 1,00 0.8 0,80 0.6 0,60 0.4 0,40 0.2 0,20 0,00 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Zeit in h Jahresgang der Leistung der Wind und PV Anlagen
Fazit und Ausblick Fazit: Die Auslastung der Kraftwerke (thermisch und EE) geht mit steigendem Anteil an EE zurück Eine sichere Energieversorgung mit einem großen Anteil an EE benötigt Energiespeichersysteme Durch Lastverschiebung lässt sich der Speicherbedarf für Schwankungen im Tagesbereich deutlich reduzieren Der saisonale Speicherbedarf wird unter anderem von der Wahl des EE- Mixes und der Größe des vernetzten Gebietes beeinflusst
Fazit und Ausblick Ausblick: Weiterentwicklung des Energiemodells sowie die Einführung zusätzlicher Kraftwerktypen Betrachtung weiterer Szenarien Gegenseitige Ergänzung des physikalisch / technischen Modells und dem Modell der Kooperationspartner aus der Umweltökonomik
Danke für Ihre Aufmerksamkeit Rahmen der Arbeit: Interdisziplinärer Projektverbund an der Universität Heidelberg: Global Change and Globalization
Anhang Schwankende Energiequellen Korrelation 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 Entfernung in km Korrelation der Leistungsschwankung aus Windenergie Quelle: CZISCH 2009 Überkapazitätsfaktor 20 15 10 5 0 Ca. 50% weniger Speicher nötig 0 50 100 150 200 Speicherreichweite in h EE-Speicher Kombination für einen Nordseestandort (Wind und Wind, Wellen und Sonne im Mix)
Anhang Modellüberblick Globales Energieversorgungsmodell mit Zeithorizont von einem Jahr und zeitlicher Auflösung von einer Stunde für Untersuchungen zur Energieversorgung Rahmenbedingungen und Annahmen für das Modell: ERA-40 Reanalysedaten für das Jahr 2000 mit 2.5 Gitterweite Aufteilung des Modellgebietes in Regionen (momentan Kontinente) Elektrizitätsversorgung in einer Region erfolgt unter der Annahme eines perfekten (instantanen) Übertragungsnetzes Wirkungsgrad der Energiespeicherung von 0.8 Energienachfrage über eine mittlere Tagesganglastkurve und Vorgabe des Jahresbedarf