Langfristiger Speicher- und Flexibilitätsbedarf in Europa · Langfristiger Speicher- und...
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Langfristiger Speicher- und Flexibilitätsbedarf in Europa DLR.de • Folie 1 Dipl. Wi.-Ing. Felix Cebulla Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für T echnische Thermodynamik Systemanalyse und Technikbewertung Eine Analyse des Einflusses unterschiedlicher energiewirtschaftlicher Rahmenbedingungen EUM Fachtagung Europa Universität Flensburg, 31. März 2016
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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
METHODIK Modell, 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-Potentiale Nachfrageprofile (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
Tec
hnol
ogie
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/offshore Photovoltaik 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 2050 Speicherzubau 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]
Rel
ativ
er S
peic
herfü
llsta
nd [-
]
-1.00-0.500.000.501.00
0.00
0.50
1.00
0 168 336 504 672
-1.00-0.500.000.501.00
0.00
0.50
1.00
0 24 48 72 96 120 144 168
-1.00-0.500.000.501.00
0.00
0.50
1.00
0 720 1440 2160 2880 3600 4320
Rel
ativ
e K
onve
rterle
istu
ng [-
]
Füllstand
Konverterleistung
Iberia: Li-Ion
East: aCAES
France: H2
DLR.de • Folie 12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Ampr
ion1
Ampr
ion2
Ampr
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Ampr
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ion5
Ampr
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Tran
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1
Tran
snet
2
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Tenn
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Tenn
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Tenn
et4
Tenn
et5
Tenn
et6
50H
ertz
1
50H
ertz
2
50H
ertz
3
50H
ertz
4
Leis
tung
[GW
]
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
ertz
1Braunkohle 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
Entladen Beladen
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
Bel
aden
Speichernutzung in 50Hertz1
Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Zusammenfassung
Relative Ladeleistung [-]
DLR.de • Folie 15
SZENARIENVERGLEICH Einfluss 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
0250500750
1,0001,2501,500
-500-400-300-200-100
0100
WindOffshore WindOnshore PV GuD Braunkohle∆ E
E +
Kon
v. [G
W]
EE
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[GW
]
G+
Spei
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Abr.0
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cher
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gh
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A
DLR.de • Folie 17
Szenarienvergleich Einfluss auf den Zubau der Flexibilitätsoptionen in Europa
Motivation/Ziel Methodik Ergebnisse Konklusion
∆ Fl
ex. O
pt. [
GW
] Fl
ex. O
pt. [
GW
]
G+
Spei
cher
-In
v_lo
w
EEIn
v_hi
gh
CO
2_lo
w
BS_h
igh
Abr.0
10
Abr.0
03
Ref
CO
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gh
BS_l
ow
G-
Spei
cher
-In
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gh
EEIn
v_lo
w
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nario
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
ZUSAMMENFASSUNG Kernaussagen 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
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Technische Thermodynamik
Systemanalyse und Technikbewertung
