Residuallast, EE-Überschüsse und Speicherbedarf zur Aufnahme von Überschüssen in Deutschland
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Residuallast, EE-Überschüsse und Speicherbedarf zur Aufnahme von Überschüssen in Deutschland
Dr. Wolf-Peter SchillRunder Tisch Trianel Wasserspeicherkraftwerk Schmalwasser, 30.11.2013
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Übersicht
1. Vorbemerkung: Stromspeicher im Kontext der Energiewende
2. Zielstellung der Studie
3. Methodik und Daten
4. Ergebnisse3.1. Residuallast und EE-Überschüsse für NEP-Szenarien4.2. Speicherbedarf zur Aufnahme von Überschüssen in NEP-Szenarien4.3 Ausgewählte Ergebnisse für 2050
5. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
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Vorbemerkung: Stromspeicher im Kontext der Energiewende
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Integration erneuerbarer Energien
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• Eigenschaften fluktuierender erneuerbarer Energien:• Schwankende Erzeugungsmöglichkeiten• Kurzfristige Abweichungen von Erzeugungsprognosen• Keine rotierende Massen• Geographische Verteilung weicht von historischer Netzkonfiguration ab
• Herausforderungen:• Residuallastdeckung• Frequenz- und Spannungshaltung• Engpassmanagement
• Bisher konnte das Stromsystem mit diesen Herausforderungen weitgehend umgehen
• Beim weiteren EE-Ausbau werden zusätzliche Flexibilitätsoptionen erforderlich
• Verschiedene Arten von Speichern können eine Rolle spielen
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Einsatzbereiche von Stromspeichern im Kontext der Energiewende
• Spotmarkt (day ahead):• Tagesausgleich (Arbitrage)
• Verminderung von Lastgradienten und Anfahrvorgängen
• Spitzenlastdeckung
• Aufnahme von Überschüssen
• Systemsicherheit:• Frequenzhaltung
• Spannungshaltung
• Netzoptimierung, Engpassmanagement
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Einsatzbereiche nicht neu, aber verstärkter Bedarf Genauer Bedarf offene Forschungsfrage, abhängig vom Gesamtsystem und vielfältigen Annahmen
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Wirkung fluktuierender EE auf Residuallast und möglicher Speichereinsatz1
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A: Tagesausgleich, Lastgradienten, Spitzenlastdeckung
B: Aufnahme von Überschüssen
Lastdaten 2010, inklusive Netzverlusten. EE-Einspeisung basierend auf historischen Werten von 2012. Laufwasserkraft und Biomasse annahmegemäß unflexibel.
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Windstromprognose und tatsächliche Einspeisung für eine exemplarische Woche des Jahres 20131
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Regelleistung kann auch durch Stromspeicher erbracht werden
Eigene Darstellung basierend auf Viertelstundendaten von 50Hertz
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Übersichtsartikel zu Stromspeichern und anderen Flexibilitätsoptionen
Weitere Details hierzu:
Schill (2013): Systemintegration erneuerbarer Energien: Die Rolle von Speichern für die Energiewende. Vierteljahrshefte zur Wirtschaftsforschung 03/2013, S. 61–88
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Zielstellung der Studie
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2 Forschungsfragen und Untersuchungsrahmen
• Künftige Residuallast und EE-Überschüsse:• Leistung, Energie, Häufigkeit
• Speicherbedarf zur Aufnahme der Überschüsse
• Interaktion von Speichern und Abregelung
• Nicht im Fokus:• Voller Systemnutzen von Speichern
(insb. gesicherte Leistung und Systemdienstleistungen)
• Systemoptimaler Mix verschiedener Flexibilitätsoptionen
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Einsatzbereiche von Stromspeichern im Rahmen der Studie
• Day ahead Spotmarkt:• Tagesausgleich (Arbitrage)
• Verminderung von Lastgradienten / Anfahrvorgängen
• Spitzenlastdeckung
• Aufnahme von Überschüssen
• Systemsicherheit:• Frequenzhaltung
• Spannungshaltung
• Netzoptimierung, Engpassmanagement
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Speicherbedarfsermittlung in Studie fokussiert auf Überschüsse
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Methodik und Daten
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Methodik
• Variation vielfältiger Parameter:• Erzeugungskapazitäten (NEP-Szenarien und Leitstudie)• Historische Verfügbarkeiten Wind onshore, Wind offshore, PV• Last: Referenz, 90%, 80%• Thermischer Must-run: 20 GW, 10 GW, 0 GW• Biomasseverstromung flexibel oder unflexibel• Abregelung: unbeschränkt, 1%, 0,1%, 0% der jährlichen
fluktuierenden EE-Erzeugung
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> 12 000 Simulationen for NEP Szenarien,> 1000 für 2050
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Methodik
• Vereinfachte Annahmen:• Deutschland ohne Nachbarländer• Deutschland als Kupferplatte• Lineares Kraftwerkseinsatzmodell• Stilisierter Must-run (Regelleistung, KWK)
• Investitionen in drei stilisierte Speichertypen• Kurzzeitspeicher, Tagesspeicher, Saisonspeicher• Entscheidung: Speicherzubau oder Abregelung?• Keine anderen Flexibilitätsoptionen
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Ergebnisse
4.1 Residuallast und EE-Überschüsse für NEP-Szenarien
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Residuallast (Referenzlast, Mittelwerte)4.1
Geringer Effekt auf Spitzenlast, großer auf Schwachlast
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B 2032: 5% der Stunden mit negativen Preisen im flexiblen Fall, 40% in unflexiblem Fall
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Überschüsse (Referenzlast, kein Must-run, Bio flexibel)4.1
„Steile“ Form, geringe Volllaststunden, große Variation17
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Effekte von Must-run und Energieeffizienz (B 2032, Bio flexibel, Mittelwerte)4.
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Flexibilität thermischer Erzeuger entscheidend für die Vermeidung von Überschüssen
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Häufigkeitsverteilung der zusammenhängenden Überschussenergie(Referenzlast, kein Must-run, Bio flexibel, Mittelwerte)
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4.1
Stark rechtsschief
B 2032: sehr viel größer als existierende Pumpspeicher
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Ergebnisse
4.2 Speicherbedarf zur Aufnahme von Überschüssen in NEP-Szenarien
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Speicherinvestitionen (Referenzlast, Mittelwerte)
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4.2
Keine Speicherinvestitionen bei freier Abregelung: Überschussintegration teurer als thermische Erzeugung
Viel höhere Investitionen in unflexiblem System
Speicherbedarf steigt stark bei restringierter Abregelung,überwiegend Tagesspeicher
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4.2
Speicherbedingter Anstieg des EE-Anteils am Stromverbrauch(Referenzlast, Mittelwerte)
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Vernachlässigbar in flexiblem System
Größer in unflexiblem System mit hohen EE-Kapazitäten
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Ergebnisse
4.3 Ausgewählte Ergebnisse für 2050
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Ausblick 2050: EE-Überschüsse4.3
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Flexibles System: 19% aller Stunden
Unflexibles System: 91% aller Stunden nicht vorstellbar
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Ausblick 2050: Speicherinvestitionen
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4.3
Ansonsten ähnlich wie NEP B 2032 Ca. 10 GW auch im Fall freier Abregelung
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
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Zusammenfassung
• Residuallast:• Starker Effekt auf „rechter“ Seite der Last-Dauer-Kurve
• EE-Überschüsse:• Selten, hohe Spitzen, geringe Gesamtenergie
• Energie zusammenhängender Überschüsse kann sehr groß werden
• Steigen bei höherem Must-run und geringerer Biomasseflexibilität
• Speicherinvestitionen für Überschüsse:• Freie Abregelung: 0 GW NEP, 10 GW 2050
• Sehr hoch bei beschränkter Abregelung und unflexiblem System
• Dürften steigen bei Berücksichtigung des vollen Systemnutzens
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Schlussfolgerungen
• Systemflexibilisierung entscheidend für Minimierung von Überschüssen• Verschiedene Speichertechnologien können Beiträge leisten
• Volle Integration von Überschüssen durch Stromspeicher nicht effizient
• Weitere Forschung:• Voller Systemnutzen von Stromspeichern
• Optimaler Mix von EE-Technologien und verschiedenen Flexibilitätsoptionen
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28Wolf-Peter SchillRunder Tisch Trianel Wasserspeicherkraftwerk Schmalwasser, 30.11.2013
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RedaktionDr. Wolf-Peter Schill