Netzausbau vs. Speicher vs. Energiemanagement? Ausgleichsoptionen für die Integration erneuerbarer Energien

Netzausbau vs. Speicher vs. Energiemanagement? Ausgleichsoptionen für die Integration erneuerbarer Energien Prof. Dr. Michael Sterner, Norman Gerhardt, Dr. Carsten Pape, Mareike Jentsch, Tobias Trost, Rainer Schwinn 22.03.2012 4. Göttinger Energietagung EFZN und Bundesnetzagentur

Inhalt 1. Herausforderung leistungsautarke Energiewende 2. Ausgleichsoptionen 3. Netzausbau in D und EU 4. Erzeugungs- und Lastmanagement 5. Speicher 6. Effekt aller Maßnahmen im UBA 100% Energiekonzept 7. Fazit

Langfristszenarien 2010 als Beispiel: Wind als tragende Säule Leistung vs. Energie Bruttostromerzeugung [TWh/a] Installierte Leistung [GW]

Transformation zu Inverter-dominierten Systemen EE sollen Systemstabilität übernehmen Inverter im Regelleistungsmarkt = ~

Weiterer EE-Ausbau erfordert flexiblen Kraftwerkspark und weitgehende Ausgleichsmaßnahmen (Netzausbau, Lastmanagement, Speicher) Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 39% EE-Anteil

Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen Erzeugungs- und Lastmanagement Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas, KWK, Reduktion Must-run) Flexibler Verbrauch Transport Netzausbau Europäisches Netz für Strom und Gas Speicher Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien Langzeit (Saisonal): 1. (Pump)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom im Gasnetz als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff)

Integration von Wind im Verteilnetz Bekannte Planung weitere 15 MW Unbekannte Planungen 2 x 1,5 MW 2 x 2 MW 2 x 3 MW Zusage 110-kV-Kabel 20-kV A-Strang Bau einer Wind-UA? 20-kV Verbindung Vorhandene Umspannanlage 20-kV B-Strang Quelle: Groß, VNB Rhein-Main-Neckar 2011 Weitere Anfrage 2 x 3 MW

Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung - was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Windenergie Windenergie in Planung Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Engpass Ballungszentrum Übertragungsnetz 2000 km (ca. 5% dazu), umgesetzt 90 km Verteilnetz PV: NetzUMbau; Wind: Netzplanung Quelle: Ahmels, 2011, eigene Ergänzungen

Europ. Netzverbund weitführend, aber als alleiniger Ausgleich ungenügend Simulation einer 100% Wind + PV Versorgung Europas Daten 8 Wetterjahre Stündlich, 45x45 km² 83 Regionen in Europa Ergebnisse Vollständiger EU Ausgleich bedingt extrem hohe Übertragungskapaz. Trotz idealem Ausgleichs sind bis zu 70% Lücken (Leistung) vorhanden Bedarf an anderen Ausgleichsoptionen bleibt bestehen Quelle: Hoffmann, von Bremen, 2009

Effekt von Import / Export - Auswirkung der EE-Einspeisung 100 80 60 2020 2030 Residuallast - Export - Export ExportImport Import 100 80 60 g g Residuallast - Export - Export ExportImport Import Leistung (GW) 40 20 0 g ( ) 40 20 0-20 -20-40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) -40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) Import / Export wirkt entlastend, dennoch: Ausbau und Nutzung weiterer Ausgleichsoptionen notwendig Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

100 Einspeisung erneuerbarer Energien ein Szenario für 2020 g g g p p Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export 90 80 70 60 Leistung (GW) 50 40 30 20 10 0-10 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag/Monat Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

100 Einspeisung erneuerbarer Energien ein Szenario für 2030 g g g p p Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export 90 80 70 60 Leistung (GW) 50 40 30 20 10 0-10 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag/Monat Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

80 Residuallast und mögliches Lastmanagement ein Szenario für 2020 g residuale Last E-Kfz Wärmepumpen residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen 60 40 Leistung (GW) 20 0-20 -40 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

80 Residuallast und mögliches Lastmanagement ein Szenario für 2030 g residuale Last E-Kfz Wärmepumpen residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz Wärmepumpen 60 40 Leistung (GW) 20 0-20 -40 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Nutzung von Lastmanagementpotentialen ermöglicht weiteren EE-Ausbau 100 80 60 2020 2030 residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz E-Kfz Wärmepumpen Wärmepumpen 100 80 60 residuale Last DSM-Haushalt Klimatisierung E-Kfz E-Kfz Wärmepumpen Wärmepumpen Leistung (GW) 40 20 0 40 20 0-20 -20-40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) -40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) Dynamisierung bestehender Lastmanagementpotentiale vorantreiben (Nachtspeicher u.a.) E-KFZ zum Lastmanagement verpflichten, sonst Verschlechterung der Netzsituation Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Leistung (GW) 80 70 60 50 40 30 20 Analyse der Lastdeckung Anforderung an konv. Kraftwerke ein Szenario für 2020 g g Elektrolyse Überschüsse Kernkraft Braunkohle HKW-KWK Erdg.-/Biom.-BHKW Biogas Steinkohle Erdgas PSW-Turbine Residuallast PSW-Pumpe 10 0-10 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Leistung (GW) 80 70 60 50 40 30 20 Analyse der Lastdeckung Anforderung an konv. Kraftwerke gein g Szenario für 2030 Elektrolyse Überschüsse Kernkraft Braunkohle HKW-KWK Erdg.-/Biom.-BHKW Biogas Steinkohle Erdgas PSW-Turbine Residuallast PSW-Pumpe 10 0-10 25/09 25/09 26/09 27/09 28/09 29/09 30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 Tag Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Leistung (GW) 100 Effiziente Nutzung fossiler KWK möglich Normale Kraftwerke nur als Backup benötigt 80 60 40 20 0 g g g 2020 2030 100 80 60 40 20 0 g g g PSW-Pumpe Elektrolyse Überschüsse Kernkraft Braunkohle HKW-KWK Erdg.-/Biom.-BHKW Biogas Steinkohle Erdgas PSW-Turbine Elektrolyse Überschüsse Kernkraft Braunkohle HKW-KWK Erdg.-/Biom.-BHKW Biogas Steinkohle Erdgas PSW-Turbine Residuallast PSW-Pumpe -20-20 -40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Volllaststunden (h) Ambitioniertes KWK-Szenario dominiert den Kraftwerkspark Kondensations-Kraftwerke (Gas, Steinkohle) nur als Backup benötigt -40 Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Einflussgrößen auf den Speicherbedarf - schematische Darstellung Geschwindigkeit EE-Ausbau Must-run (Netzstabilität, KWK) derzeit 10 GW

Einflussgrößen auf den Speicherbedarf - schematische Darstellung Geschwindigkeit EE-Ausbau Must-run (Netzstabilität, KWK) derzeit 10 GW Flexible Erzeugung Flexibler Kraftwerkspark Flexibler Verbrauch Lastverschiebung Netzausbau und Kuppelleistungen Speicherbedarf = Überdeckung / Unterdeckung von Residuallast nach Abwägung aller vorrangingen Ausgleichsmaßnahmen Benchmark Überschuss: Benchmark Defizit: Abregeln Gasturbine

Relevante Überschüsse ab 50-70% EE-Anteil zu erwarten bei idealem Netzausbau und keinem Import / Export 0-5 2020 2030 2040 2050 0-10 Energie [TWh] -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 -20-30 -40-50 -60-70 -80-90 Leistung [GW] Stundenausgleich Tagesausgleich Wochenausgleich Monatsausgleich Jahresausgleich Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2011, in Bearbeitung

Rein regenerative Energieversorgung hat sehr großen Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau, Energiemanagement und Pumpspeichern 60 40 Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) Defizite: 62 TWh Überschüsse: - 111 TWh 20 0 Residuallast (GW) -20-40 -60-80 -100 Pumpspeicher Norwegen (Theorie) Überschüsse: -110.9 TWh Defizite: 62.1 TWh Minimale Residuallast: -59.8 GW Maximale Residuallast 54.1 GW Kapazität und Leistung Gasspeicher heute -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat 42 Mio. E-KFZ (Theorie) Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute Fraunhofer IWES 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei η GT,GuD = 28-55%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2

Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, 2009 2009 Specht Specht et al, 2010 et al, 2010

Entwicklungsstand Power-to-Gas Wasserstoff (mit Total, Vattenfall, Deutsche Bahn) Methan (ZSW, Fraunhofer IWES) (ZSW, Fraunhofer IWES, EWE) (mit SolarFuel, GASAG, Thüga etc.)

UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Technisches Potential H 2 -Kavernen (Power-to-Gas) 110 TWh th = 66 TWh el bei η= 60% EE-Methan (Power-to-Gas) 514 TWh th = 308 TWh el bei η = 60% Pumpspeicher ca. 0,06 TWh el

Modellierung des UBA Szenarios: 100% reg. Stromversorgung 1 2 3 Quelle: Klaus et al, 2010

Residuallast ohne E-KFZ, Wärmepumpen und Klimatisierung 60 1 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 20 0 Residuallast (GW) -20-40 -60-80 -100 Überschüsse: -187.7 TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: -109.9 GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Fraunhofer IWES 2010 Quelle: Klaus et al, 2010

Residuallast nach Lastmanagement, vor Pumpspeichern 60 2 Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement, vor PSW (Meteo-Jahr 2007) 40 20 0 Residuallast (GW) -20-40 -60-80 -100 Überschüsse: -115.3 TWh Defizite: 64.4 TWh Minimale Residuallast: -63.7 GW Maximale Residuallast 54.9 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Fraunhofer IWES 2010 Quelle: Klaus et al, 2010

Residuallast nach Lastmanagement und Pumpspeichern 60 3 Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) 40 20 0 Residuallast (GW) -20-40 -60-80 -100 Überschüsse: -110.9 TWh Defizite: 62.1 TWh Minimale Residuallast: -59.8 GW Maximale Residuallast 54.1 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Fraunhofer IWES 2010 Quelle: Klaus et al, 2010

Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom - nationale Sicht 2010 2020 2030 2040 2050 Netze Management Speicher Reduktion must-run -Units Flexible Erzeugung (Gas-KW, KWK, Biomasse) Flexibler Verbrauch (Smart Grids, E-KFZ, p2g) Netzausbau Deutschland Netzausbau Europa Netzkopplung Strom-Gas Pumpspeicher, ggf. AA-CAES ab 2030 Batterien (stationär, ggf. E-KFZ) Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring Quelle: IWES - Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse, 2011

Fazit 1 EE-konformes Erzeugungs- und Lastmanagement etablieren Neue Verbraucher über Lastmanagement an EE binden Erzeugung flexibilisieren (KWK, Biomasse, fossil, Must-run) 2 Netzausbau in D und EU Verteilnetz: NetzUMbau; Übertragungsnetz: NetzAUSbau Kopplung der Energienetze (Strom, Gas, Wärme) nützlich 3 Speicher konzipieren, bauen, einsetzen Wir brauchen alle verfügbaren Speicher (Kurzzeit & langfristig Langzeit) EE grundlastfähig machen - dauerhafter Ersatz von konv. KW Gasverstromung als Brückentechnologie etabl. & später über p2g nutzen Gesamtbewertung global und lokal durchführen Umsetzung der Energiewende auf regionaler Ebene Vielen Dank

Informationen und Quellen Ahmels, 2011: Präsentation zum Netzausbau, DUH, Berlin Groß, 2011: Präsentation zum Verteilnetzausbau, VNB Rhein-Main-Neckar, 100%- Regionen-Kongress 2011 Kassel Hoffmann, von Bremen, 2009: Storage and Transport Capacities in Europe for a full renewable power supply system. Präsentation auf dem Kasseler Symposium 2009 - Energiesystemtechnik. Kassel. Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. http://www.uba.de Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2011): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. In Bearbeitung. FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.greenpeace-energy.de/windgas/windgas-idee-mit-zukunft.html

Kontakt Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik + 49 (0) 941 943 9888 michael.sterner _at_ hs-regensburg.de Norman Gerhardt +49 (0) 561 72 94 274 norman.gerhardt _at_ iwes.fraunhofer.de