Speicherbedarf in Deutschland und Baden-W¼rttemberg ... REMO (Renewable Electricity Market...

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  • Forschungsbericht zum Programm:

    BWPLUS - „Energie, Energiespeichertechnologien“

    Dynamische Simulation der Ausbauszenarien für erneuerbare Stromversorgung in Baden-Württemberg bis 2050 nach dem Gutachten zur Vorbereitung eines Klimaschutzgesetzes (SimBW)

    Speicherbedarf in Deutschland und Baden-Württemberg

    Abschlussbericht

    Holger Höfling, Michael Capota, Henning Jachmann

    Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

    Fachgebiet Systemanalyse

    Die Arbeiten des Programms Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg gefördert

    Zuwendungsnummer: BWE 13001

    Stand: 05. März 2014

  • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

    Industriestraße 6 70565 Stuttgart Tel.: +49 (0) 711 7870 0 Fax: +49 (0) 711 7870 200

    www.zsw-bw.de

  • 3

    Kurzzusammenfassung

    Die Stromversorgung in Baden-Württemberg (BW) ist aufgrund des Rückbaus von Kernkraftwerken einerseits und des geplanten Zubaus erneuerbarer Energien nach dem Klimaschutzgesetz andererseits in den nächsten Jahren vor besondere Heraus- forderungen gestellt. Energiespeicher können hierbei einen Beitrag zur Integration von Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und damit zum Klimaschutz leisten.

    Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der deutsche Kraftwerkspark mit Fokus auf Baden-Württemberg (BW) in stündlicher Auflösung unter dem Einfluss des Aus- baus erneuerbarer Energien für die Stichjahre 2020, 2030, 2040 und 2050 in ausge- wählten Szenarien simuliert.

    Ziel der Modellrechnungen war es, den Bedarf für Energiespeicherung unter Berück- sichtigung von äußeren Einflussparametern in den verschiedenen Szenarien zu ermit- teln. Dabei wurde für unterschiedliche Speichertypen untersucht, ob sie sich auf dem Markt etablieren und welchen Systembeitrag sie leisten können. Begleitet wurde diese quantitative Analyse durch eine qualitative Bewertung von Kapazitätsmechanismen hinsichtlich ihrer Eignung für die Förderung von Speichern.

    Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Speicher bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung (deutlich über 60%) einen entscheidenden ökonomi- schen und ökologischen Nutzen für das zum Energiesystem haben. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass der ökonomische Speichereinsatz bei EE-Anteilen unter 60% zu zusätzlichen CO2-Emissionen im Energiesystem führt. Da Speicher jedoch auch bei niedrigen EE-Anteilen, beispielsweise aus technischen Erfordernissen heraus, einen Systembeitrag leisten können, ist es erforderlich, hier eine sorgfältige Abwägung zu treffen.

    Die gewonnenen Erkenntnisse über den Speicherbedarf in Baden-Württemberg und im gesamten deutschen Marktgebiet können in ein 3-Phasen-Modell der Markteinführung für Speicher überführt werden. Die frühe Phase (EE-Anteil bis 40%) ist dabei geprägt von Forschung und Entwicklung sowie Demonstration neuer Technologien. Ergänzend kann der Abbau von Hemmnissen die Rahmenbedingungen verbessern. Die mittlere Phase (EE-Anteil von 40% bis 60%) wird bestimmt durch kontinuierlichen Speicherzu- bau nach einem verbindlichen Ausbaupfad mit begleitenden marktnahen Instrumenten. In der späten Phase (EE-Anteil über 60%) ist Speicherausbau bzw. -betrieb auch unter Marktbedingungen wirtschaftlich. Möglichweise kann jedoch durch flankierende Markt- konzepte die Ausbaumenge gesteuert werden.

    Die derzeit kontrovers diskutierten Kapazitätsmechanismen eignen sich hierzu nur be- dingt. Während bei der strategischen Reserve eine Teilnahme auszuschließen ist, hängt bei den übrigen Konzepten vieles von der konkreten Produktgestaltung ab. Zur Unterstützung der Markteinführung von Langzeitspeichern sind die derzeit diskutierten Kapazitätsmechanismen dagegen grundsätzlich nicht geeignet. Sie erfordern alternati-

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    ve Konzepte, die nicht auf den Beitrag zur gesicherten (Erzeugungs-) Leistung als Be- messungsgrundlage zielen.

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    Inhalt

    Kurzzusammenfassung .................................................................................................. 3 

    Inhalt ............................................................................................................................... 5 

    Abbildungen .................................................................................................................... 7 

    Abkürzungen ................................................................................................................. 10 

    1  Aufgabenstellung .................................................................................................... 11 

    1.1  Problembeschreibung ...................................................................................... 11 

    1.2  Ziel der Untersuchung ..................................................................................... 11 

    1.3  Stand der Wissenschaft ................................................................................... 12 

    1.4  Relevanz für das Land Baden-Württemberg ................................................... 15 

    2  Vorgehensweise ...................................................................................................... 17 

    2.1  Methodische Herausforderungen .................................................................... 18 

    2.2  Planung und Ablauf des Vorhabens ................................................................ 20 

    2.2.1  Datenaufbereitung und Modellanpassung ............................................ 20 

    2.2.2  Auswertung und Interpretation ............................................................. 22 

    2.2.3  Analyse von Kapazitätsmechanismen für Speicher.............................. 23 

    2.3  Modellbeschreibung ......................................................................................... 24 

    3  Szenarienbeschreibung .......................................................................................... 27 

    3.1  Szenarienübersicht .......................................................................................... 27 

    3.2  Konventionelle Kraftwerke ............................................................................... 28 

    3.3  Erneuerbare Stromerzeugung ......................................................................... 30 

    3.4  Speichertechnologien ...................................................................................... 35 

    3.5  Stromnachfrage ............................................................................................... 39 

    3.6  Stromübertragungskapazitäten ........................................................................ 42 

    4  Simulationsergebnisse und Interpretation ............................................................... 46 

    4.1  Entwicklung der Speicherleistungen in Deutschland ....................................... 46 

    4.2  Entwicklung der Speicherleistungen in Baden-Württemberg ........................... 51 

    4.3  Systembeitrag von Speichern .......................................................................... 55 

    4.4  Schlussfolgerungen und Einordnung der Ergebnisse ...................................... 63 

    4.5  Handlungsempfehlungen ................................................................................. 69 

    5  Kapazitätsmechanismen für Speicher ..................................................................... 72 

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    5.1  Aktueller Diskussionsstand in Deutschland ..................................................... 73 

    5.1.1  Strategische Reserve ........................................................................... 74 

    5.1.2  Versorgungssicherheitsverträge ........................................................... 74 

    5.1.3  Dezentraler Leistungsmarkt .................................................................. 75 

    5.1.4  Fokussierte Kapazitätsmärkte .............................................................. 75 

    5.2  Kompatibilität von Kapazitätsmechanismen und Speichern ............................ 76 

    5.2.1  Beitrag zur gesicherten Leistung .......................................................... 76 

    5.2.2  Abhängigkeit von Art und Ausgestaltung .............................................. 78 

    5.2.3  Zwischenfazit ........................................................................................ 79 

    5.3  Gezielte Kapazitätsmechanismen für Speicher ............................................... 79 

    5.3.1  Art der Vergütung ................................................................................. 80 

    5.3.2  Bemessungsgrundlage ......................................................................... 80 

    5.3.3  Technologiespezifische vs. technologieoffene Ausgestaltung ............. 80 

    5.3.4  Pfadabhängigkeit .................................................................................. 81 

    5.3.5  Mengensteuerung ................................................................................. 81 

    5.3.6  Bestimmung der Vergütungshöhe ........................................................ 81 

    5.3.7  Verteilung der Lasten ........................................................................... 81