Potentiale konventioneller Pumpspeicher in Niedersachsen und damit einhergehende Kosten

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

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 2030 21.11.2014 2

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 2030 21.11.2014 3

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 21.11.2014 4

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 21.11.2014 5

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 100 21.11.2014 6

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) 336 79,2 487 115 / 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 68,8 910 204 / 34 / 21 300 39,9 2.500 36 / 6 / 0,3 300 26,6 2.600 0 300 21,3 4.255 0 * Kurzfristspeicher (KFS) / Mittelfristspeicher (MFS) / Langfristspeicher (LFS) Kosten für Speicherung im Erdgasnetz als kostenneutral angenommen 21.11.2014 7

Potentialanalyse Inhalt: Potential Pumpspeicherwerke Basis: lokale Gegebenheiten in Niedersachsen Schritt 1: Grundlagen und Kennwerte Schritt 2: Potentialanalyse Schritt 3: Machbarkeit Kosten Ausblick 2030 21.11.2014 8

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 21.11.2014 9 FFH= SPA= GIS= Flora- Fauna- Habitat Special Protection Area (Vogelschutz) Geoinformationssystem

Topographie Screening Anwendung der Topographiekriterien: Ergebnis Großes Potential im Süden 3.086 Oberbecken 3.671 Unterbecken Bild animiert 21.11.2014 10

Topographie Screening Anwendung der Topographiekriterien: Ergebnis Großes Potential im Süden 3.086 Oberbecken 3.671 Unterbecken Bild animiert 21.11.2014 11

Anwendung von Ausschlusskriterien Flüsse 1. und 2. Ordnung SPA Vogelschutz Geologie FFH Flora Fauna Habitate No-Go - Areas: 21.11.2014 12

Topographie Screening Bild animiert 21.11.2014 13

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Erstellen von Projektskizzen Manuelle Überarbeitung Bild animiert 21.11.2014 16

Erstellen von Projektskizzen Manuelle Überarbeitung Bild animiert 21.11.2014 17

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. 21.11.2014 18

Leistung [GW] Speicherkapazität [GWh] Es existiert ein erhebliches Pumpspeicherpotential in Niedersachsen Ergebnis: 83 PSW-Standorte 19,6 GW / 98,2 GWh 25 20 15 10 5 0 Leistung PSW Potential in Niedersachsen 19,6 Alle PSW Standorte 3,8 10 wirtschaftl. PSW Standorte 120 100 80 60 40 20 0 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. 21.11.2014 19

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 2030 21.11.2014 20

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 21.11.2014 21

/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 21.11.2014 22 [ /MWh el] 120 100 80 60 40 20 25 20 15 10 5 0 0 Base and Peak prices for electricity in Germany Base und Peak Preise in Deutschland 2005 2006 2007 2008 2009 2011 2012 2015 2020 2025 2030 Base Prognose PeakQuelle: www.die-erde.com -20% -28% 2008 2009 2010 2011 2012 Quelle: Fichtner -54% PC SC TC Quelle: Fichtner

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 500 484 484 495 400 300 200 100 0 326 107 77 89 106 235 272 273 280 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 21.11.2014 23 361 361 369 PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz Kurzfristspeicher (KFS) Mittelfristspeicher (MFS) Langfristspeicher (LFS) Quelle: Fichtner

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 21.11.2014 24 82% 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)

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 55-65 % 1 - Leistungsspezifischer CAPEX: rd. -60 % 2 - Lebensdauer für PEM Elektrolyseur und PEM Brennstoffzelle: 60.000 Volllastbetriebsstunden (heute: 40.000 VBh) Allgemein: - Ladestrompreis : 20 /MWh für alle Technologien (Annahme) 1 Quelle: Abschätzung nach Genoese 2013 - Elektrolyse: + 25 % - Brennstoffzelle: + 25 % - Methanisierung: +5 %-Punkte 2 Quelle: Abschätzung nach dena 2010a und Albrecht et al. 2013 - Elektrolyse: - 60 % - Brennstoffzelle: - 58 % - Methanisierung: - 58 % 21.11.2014 25

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 600 400 200 0 600 400 heute 2030 77 heute 2030 LEC Kurzfristspeicher 106 272 361 39 57 81 102 484 141 PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz LEC Mittelfristspeicher 273 361 484 200 0 89 107 141 52 58 81 102 PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz PSW AA-CAES H2 Kaverne H2 Gasnetz CH4 Gasnetz 21.11.2014 26 600 400 200 0 heute 2030 326 288 LEC Langfristspeicher 233 184 280 369 84 104 Quelle: Fichtner 495 140

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 21.11.2014 27

Vortrag Potentiale konventioneller Pumpspeicher in Niedersachsen und damit einhergehende Kosten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! FICHTNER GmbH & Co. KG Sarweystrasse 3 70191 Stuttgart Germany Tel.: +49 (0)711 8995-401 Fax: +49 (0)711 8995-459 E-mail: Florian.Klumpp@fichtner.de www.fichtner.de 21.11.2014 28