Langfristiger Speicher- und Flexibilitätsbedarf in Europa

DLR.de • Folie 1

Dipl. Wi.-Ing. Felix Cebulla

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Institut für Technische Thermodynamik

Systemanalyse und Technikbewertung

Eine Analyse des Einflusses unterschiedlicher energiewirtschaftlicher Rahmenbedingungen

EUM Fachtagung

Europa Universität Flensburg, 31. März 2016

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

DLR.de • Folie 2 Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

Agenda

Unsicherheit zukünftiger Stromspeicherbedarf

Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien (EE): Studien resultieren in großen

Bandbreiten bzgl. Lade-/Entladeleistung & Speicherkapazität

Beispiel Deutschland (100% EE-Anteil)1 ≈ 20-94GW, 15-140TWh

Beispiel Europa (100% EE-Anteil)1 ≈ 500-900GW, 80-400TWh

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!

DLR.de • Folie 3

12013, Bert Droste-Franke, Future Storage and Balancing Demand –

Ranges, Significance and Potential Improvements of Estimations

Forschungsfrage

Speicherbedarf in Langfristszenarien

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 4

Forschungsfrage

Speicherbedarf in Langfristszenarien

Speicherbedarf

2050 EU?

Emissions

zertifikats

kosten

Netzausbau

Brennstoff

kosten

Konverterleistung?

Speicherkapazität?

Räumliche Verteilung?

Speichernutzung?

Abregel-

ungen

Investitions-

Kosten

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 5

METHODIKModell, Annahmen und betrachtete Szenarien

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 6

Output

Technologieeinsatz

(Auslastung)

Kapazitätszubau

(Speicher, Netze, Kraftwerke)

Berechnung

Minimierung der

Systemgesamtkosten

Einhaltung technisch-physikalischer

Restriktionen

Input

EE-PotentialeNachfrageprofile

(Strom, Wärme, H2)Kraftwerkspark

Kosten

OPEX, CAPEX

Netze

Modell

Renewable Energy Mix for Sustainable Energy Supply (REMix)

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 7

Annahmen

Übertragungsnetz Modellierung Szenario

Speicher Modellierung Szenario

Te

chn

olo

gie

n

Erneuerbare Erzeugung Modellierung Szenario

(1) “Accupack 10 cellen side by side" by Accu4all - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons -

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Accupack_10_cellen_side_by_side.png#/media/File:Accupack_10_cellen_side_by_side.png

(2) http://www.dlr.de/dlr/presse/desktopdefault.aspx/tabid-10172/213_read-6034/year-all/#/gallery/8559

Wasserstoffspeicher

Lithium-Ionen (stationär)

Pumpspeicher

Blei-Säure-Batterien

Druckluftspeicher (adiabat)

Redox-Flow-Batterien

Lade- und Entladewirkungsgrad

Selbstentladungsrate

Verfügbarkeit

Invest.-Kosten Speicher/Konverter

Lebensdauer Speicher/Konverter

Betriebs- & Wartungskosten (fix/var.)

H2-Speicherung in Salzkavernen &

anschließende Rückverstromung

Modellendogener Zubau in allen

Szenarien inkl. Zubauoberlimits für

H2-, Druckluft- und Pumpspeicher

(1)

(2)

Wind on/offshorePhotovoltaik

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

AC DC DC Approximation des Drehstrom-

übertragungsnetzes

HVDC Übertragungsleitungen

Investitionskosten

Nettoübertragungsleistung (NTC)

Übertragungsverluste

TYNDP modifiziert als Startnetz

Endogener Netzzubau der

bestehenden Leitungen in den

Szenarien G+

Restliche Szenarien: exogenes Netz

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 8

REFERENZSZENARIO 2050Speicherzubau und -Nutzung

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 9

Kapazitäten Europa

s.t. EE-Erzeugung ≥ 80%

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

50 GW

Europa

W offshore: 460 GW

W onshore: 330 GW

PV: 390 GW

Deutschland

W offshore: 50 GW

W onshore: 60 GW

PV: 90 GW

DLR.de • Folie 10

Speicherleistung

Europa 166 GW Deutschland 30 GW

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 11

Speichernutzung

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

Zeit [h]

Re

lative

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-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

0,00

0,50

1,00

0 168 336 504 672

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0,50

1,00

0,00

0,50

1,00

0 24 48 72 96 120 144 168

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

0,00

0,50

1,00

0 720 1440 2160 2880 3600 4320

Re

lative

Ko

nve

rte

rle

istu

ng [-]

Füllstand

Konverterleistung

Iberia: Li-Ion

East: aCAES

France: H2

DLR.de • Folie 12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Am

prio

n1

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n2

Am

prio

n3

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50H

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z1

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z4

Le

istu

ng

[G

W]

H2-Speicher Gasturbine Lithium-Ionen Druckluft Redox-Flow

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

Speichernutzung 50Hertz1

-1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00

Druckluft

H2-Speicher

Lithium-Ionen

50H

ert

z1

Braunkohle WindOnshore WindOffshore PV

Zubau Konverter [GW] Korrelation Speicherbeladung u. Erzeugung

Konventionell

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 13

Speichernutzung in 50Hertz1

Lithium-Ionen

EntladenBeladen

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 14

Kurzzeit Mittelfrist Langzeit

2 h 18 h 180 h (~8 d)

Energie-zu-Leistungsverhältnis (E2P)

Relative Häufigkeitsverteilung der Beladungsintensität

Lithium-Ionen CAES H2-Speicher

Bela

den

Speichernutzung in 50Hertz1

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

Relative Ladeleistung [-]

DLR.de • Folie 15

SZENARIENVERGLEICHEinfluss auf Speicherzubau und -Nutzung

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion

DLR.de • Folie 16

Szenarienvergleich

Einfluss auf den Zubau der Kapazitäten in Europa

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion

0

250

500

750

1.000

1.250

1.500

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

WindOffshore WindOnshore PV GuD Braunkohle∆ E

E +

Konv.

[G

W]

EE

+ K

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[G

W]

G+

Spe

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A

DLR.de • Folie 17

Szenarienvergleich

Einfluss auf den Zubau der Flexibilitätsoptionen in Europa

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion

∆ F

lex.

Opt.

[G

W]

Fle

x.

Opt.

[G

W]

G+

Spe

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EE

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Abr.

010

Abr.

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0

50

100

150

200

250

300

-100

-50

0

50

100

Wasserstoff Gasturbine Li-Ionen CAES PSW Redox-Flow

A

B

D

C

DLR.de • Folie 18

ZUSAMMENFASSUNGKernaussagen und Ausblick

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

Speicherleistung und –Kapazität in den untersuchten Szenarien stark sensitiv:

EU: 87 – 233GW, 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 Abregelungs-

begrenzungen 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

DLR.de • Folie 19

Zusammenfassung & Ausblick

Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung

DLR.de • Folie 20

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Dipl. Wi.-Ing. Felix Cebulla

felix.cebulla@dlr.de

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Institut für Technische Thermodynamik

Systemanalyse und Technikbewertung