(Beitrag zu einer kostengünstigen und sicheren

Beitrag zu einer kostengünstigen und sicheren Energieversorgung durch einen vorausschauenden Pumpspeicherausbau vor dem Hintergrund zukünftiger EE-dominierter Erzeugungssysteme 2030/2050

K. Krüger, Voith Hydro Holding, Heidenheim DLR, Stuttgart, 2014-03-12

Gliederung

2Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12

• Hintergrund

• Idee: Pumpspeicher als Klammer der Energiewende

• Methodik und Annahmen zur Studie

• Abschätzung des wirtschaftlichen Speicherzubaus

• Konsequenzen des Speicherausbaus bezüglich:

� EE-Einspeicherung

� fossiler Kraftwerkspark

� Versorgungssicherheit & Wertschöpfung

• Zusammenfassung & Fazit

Hintergrund

Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12 3

� Energiewende: Ambitionierte Ausbauziele erneuerbare Energien (EE)� Herausforderungen:

Bilanzierung , Versorgungssicherheit , Netzausbau, Systemstabilität

Bilanzierung : Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch� Bilanzierung erfordert Flexibilität� Flexibilität kann bereitgestellt werden durch

� Flexible thermische Kraftwerke, regelfähige EE-Anlagen� Flexible Verbraucher (Demand Side Management)� Speicher, insbesondere Pumpspeicher

Versorgungssicherheit : Jederzeit genügend Erzeugung, um Verbrauch zu decken� Versorgungssicherheit erfordert sicher verfügbare flexible Kraftwerke (sichere Leistung)� Thermische Kraftwerke sind sicher und flexibel verfügbar� Speicher müssen zur Bereitstellung sicherer Leistung gefüllt sein

� Offen : Kombinierter Nutzen von Speichern

Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering

Idee: Pumpspeicher als Klammer der Energiewende

Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12 4

Bei national definierter Versorgungssicherheit ABER europäischem Binnenmarkt� Ineffiziente thermische Einheiten wie GT zur Bereitstellung (nationaler) sicherer

Leistung kommen kaum zum Einsatz� Negative Deckungsbeiträge, Kapazitätsmechanismen erforderlichAlternative : Pumpspeicher stellen sichere Leistung und erwirtschaften Deckungsbeiträge

Klammer bedeutet ein Paradigmenwechsel für den zukünftigen funktionalen Einsatz von Pumpspeichern:

kombinierte Nutzung als

und unter Berücksichtigung der günstigsten Kosten.

Zentrale Fragestellungen für eine gesamthafte Bewer tung:� Können Pumpspeicher sichere Leistung stellen?� Welcher Pumpspeicherbedarf ist bei kombinierter Nutzung in zukünftigen

EE-dominierter Erzeugungssysteme wirtschaftlich?

Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering

Kurzzeitspeicher für EE + Versorgungssicherheit (sichere Leistung)+ Flexibilität (Ausgleichsenergie, Regelenergie,

Intraday-Handel, ...)

Methodik und Annahmen zur Studie

Die neue Studie basiert auf dem IAEW Kraftwerksmodell und der IAEW Kraftwerkseinsatzplanung sowie der ETG Studie 2009.

Es wurden dabei folgende Szenarien1 betrachtet:

• 2030 mit einem 60 % - Anteil von EE in der Erzeugung

• 2050 mit einem 80 % - Anteil von EE in der Erzeugung

Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 5Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Schechner, Schilk | 2014-02-11

1 Annahmen zur Studie: • Keine Netzbeschränkungen• Beschränkung auf Deutschland• Sonstiger Verbrauch auf Basis von ENTSO-E Daten• EE-Erzeugung auf Basis vom IWES-Modell und Wetterdaten des Jahres 2007• EE-Installationskosten und Brennstoffkostenmodell auf Basis der BMU-Leitstudie 2010• Perfect Foresight• stundenscharfe Auflösung für ein repräsentatives Jahr (2007)• Investitionskosten für Zubau PSW 1000 €/kW (Leistungsteil), 50 €/kWh (Speicheranteil)• Verhältnis Energie/Leistung für Zubau 3 / 5 / 7 Wh/W, Wirkungsgrad: 80%, Lebensdauer: 60 Jahre• gemischter Kapitalzins von 4%

Methodischer Ablauf


Jahresbetriebsanalyse des Kraftwerks- und Speicherparks

Kostenanalyse für jedes Szenario

erwarteter Verbrauch und Kraftwerkspark

(EE & thermisch)

erwartete Residuallast

Für die Szenarien des EE-Ausbaus 2030 und 2050

Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubau auf Basis der

ETG-Studie

Abschätzung sichere Leistung aus Pumpspeichern

Anpassung der Leistung von Gaskraftwerken

Abschätzung wirtschaftlicher Speicherzubauauf Basis der neuen ETG-Studie

Zusätzliche Pumpspeicherleistung

• 60% EE (2030) 8 GW

• 80% EE (2050) 16 GW

• Annahme: Zubau muss im Durch-schnitt 1.000 Volllaststunden in Turbinenbetrieb aufweisen

• weitere signifikante Auslastung durch zusätzliche Systemdienst-leistungen möglich

ø Volllaststunden je Speicherleistung (ETG, B)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

60% 80%

P [MW]

t [h]

Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas RoteringPumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12

PSW Leistung durch Zubau

SpeicherungIntegration von EE-Überschüssen durch PSW 2030

Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering 8Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12

Lastgang 2 einer Woche ohne PSW 2030 (60% EE)

Lastgang 2 einer Woche mit PSW 2030 (60% EE)

Abregeln von EE

Einspeichern EE → Reduktion der Abregelung

Ausspeichern EE

MO DI MI DO FR SA SO

MO DI MI DO FR SA SO2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie

Win-Win EE + PSW

SpeicherungOptimierung thermischer Kraftwerke durch PSW






Einspeichern thermischer Energie

Red

uktio

n S

pitz

enla

st

Glä

ttung

2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie

Win-Win konventionelle Kraftwerke + PSW

SpeicherungIntegration von EE-Überschüssen durch PSW 2050




Abregeln von EE

Einspeichern EE → Reduktion der Abregelung

Ausspeichern EE


MO DI MI DO FR SA SO2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie

Win-Win EE + PSW

SpeicherungOptimierung thermischer Kraftwerke durch PSW






Einspeichern thermischer Energie

Red

uktio

n S

pitz

enla

st

Glä

ttung

2 Beispielhafter Lastgang bezogen auf Gesamtdeutschland aus der IAEW-Studie

Win-Win konventionelle Kraftwerke + PSW

SpeicherungZusammenfassung und Ergebnisse


• PSW können bei den angenommenen Ausbauprämissen für EE wesentliche Anteile der EE-Überschüsse aufnehmen und wieder abgeben:

2030 (60% EE): 6,0 TWh 2050 (80% EE): 17,6 TWh

• Dadurch wird in Relation zur Betrachtungsweise ohne PSW eine Reduktion der EE-Abregelung erzielt:

2030 (60% EE) um 72,5 % 2050 (80% EE) um 64,5 %

• Die Analyse unterstreicht die Bedeutung der PSW als Tagesspeicher

• Durch den Einsatz der PSW wird im Vergleich zur sonst bereitzustellenden fossilen Reserve eine hohe Auslastung und damit ein hoher Nutzen erzielt. Durch gezieltes Ein- und Ausspeichern werden Reduktion und Glättung des fossilen Energieeinsatzes erreicht.

• PSW bieten wirtschaftliche Bereitstellung von hohen Energiemengen und haben eine extrem hohe Zyklenfestigkeit.

VersorgungssicherheitBeitrag zur gesicherten Leistung durch PSW

Die Bereitstellung sicherer Leistung aus allen PSW steigt

2030 auf 13 GW (16,25%)2050 auf 16,6 GW (20,75%)

und vermeidet den Zubau einer fossil vorzuhaltende KW-Reserve um die gleichen Werte !

Das Potenzial zur Bereitstellung sicherer Leistung aus PSW steigt bei höherem EE-Anteil, da der dazu erforderliche Energiebedarf sinkt.


Energiebedarf zur Bereitstellung sicherer Leistung

0

100

200

300

400

0 4 8 12 16 20

Energie 40 Energie 60 Energie 80% % %

P [GW]

E [GWh]

Deutschland heute, 7 GW Leistung & 40 GWh→ 7 GW gesicherte Leistung aus PSW

2030, PSW-Zubau von 8 GW Leistung & 96 GWh→ 13 GW gesicherte Leistung aus PSW

2050, PSW-Zubau von 16 GW Leistung & 152 GWh→ 16,6 GW gesicherte Leistung aus PSW

sichere Leistung

EE 40% EE 60% EE 80%

Volkswirtschaftliche BetrachtungVersorgungssicherheit und EE-Speicherung

Der volkswirtschaftliche Nutzen für den Ausbau der Pumpspeicherflotte um 8 GW bis 2030 und 16 GW bis 2050 kann bereits durch die Gegenüberstellung der Einsparungen für Investitionen in Gaskraftwerke und variable Stromgestehungskosten erreicht werden.

Zusätzlich entstehen erhebliche volks-wirtschaftliche Vorteile durch die vollständige Abdeckung der erforderlichen Systemdienst-leistungen zur Absicherung der Versorgungs-qualität und die optimierte Nutzung (geringere Volatilität) des thermischen Kraftwerksparks.

Senkung der Stromgestehungskosten

in Mio. € / a


-102,5 -179,2-380

-960

477,4

954,8

-5,1-184,4

-1000

-600

-200

200

600

1000

Einsparungen Investitionen in Gaskraftwerke

Einsparungen variabler Stromgestehungskosten durch Speicherzyklen

Investitionskosten Pumpspeicherkraftwerke

Volkswirtschaftlicher Nutzen

2030 / EE 60% 2050 / EE80%

Wertschöpfung in Deutschland

Investitionen und Veränderung der Stromgestehungsko sten in Deutschland

in Mio. € / a


-102,5

477,4374,9

-380

-5,1

-179,2

954,8

775,6

-960

-184,4

102,50

102,50

102,5179,2

0

179,2

0

179,2

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

Investitionen inGaskraftwerke

Investitionen inPumpspeicherkraftwerke

Gesamtinvestitionen inDeutschland

Einsparung variablerStromgestehungskosten

durch Speicherzyklen

Veränderung derStromgestehungskosten

in Deutschland

2030 mit PSW 2050 mit PSW 2030 ohne PSW 2050 ohne PSW

Wertschöpfung = Investition in D

Einsparung von Brennstoff

=Mindertransfer von Kapital ins Ausland

Verbrauchervorteil /-nachteil in D

Zusammenfassung des 2030 Szenarios (60% EE)

• Bis zu 8 GW zusätzliche Pumpspeicher können wirtschaftlich betrieben werden. Die Turbinen des gesamten Speicherparks inklusive des Bestandes erreichen bis zu 1.100 und die Pumpen 1.400 Volllaststunden.

• Durch den Einsatz der Pumpspeicher kann das Abregeln von Windenergie-und Photovoltaikanlagen häufig verhindert werden. Abzüglich der Speicherverluste können hierdurch bis zu 2 TWh zusätzlich integriert werden.

• Die durch fossile Kraftwerke vorzuhaltende sichere Leistung kann durch Pumpspeicherkraftwerke reduziert werden. 15 GW Pumpspeicher mit einem Speichervolumen von 96 GWh ersetzen bis zu 13 GW Gaskraftwerke.

• Trotz dem verstärkten Einsatz von kostengünstigen Braunkohle-KW sinken die gesamten CO2 Emissionen um 1 Mio.t/a.

16Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12 Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering

Zusammenfassung des 2050 Szenarios (80% EE)

• Im 80%-Szenario können zusätzlich 16 GW PSW wirtschaftlich betrieben werden. Die Turbinen des gesamten Speicherparks inklusive des Bestandes werden noch intensiver eingesetzt und erreichen bis zu 1.400 und die Pumpen 1.800 Volllaststunden.

• Der Einsatz der Pumpspeicher verhindert das Abregeln von EE im signifikanten Umfang. Abzüglich der Speicherverluste können rund 5 TWh zusätzlich integriert werden.

• 23 GW Pumpspeicher mit einem Speichervolumen von 152 GWh ersetzen bis zu 16,6 GW thermische Kraftwerke.

• Durch die PSW Integration verdrängt EE-Erzeugung Erzeugung aus Gaskraftwerken.

• In diesem Szenario sinken die CO2 Gesamtemissionen um 2 Mio.t/a

17Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12 Quelle: IAEW / RWTH Aachen, Dr.-Ing. Niklas Rotering

FazitDurch die konsequente Nutzung der kostengünstigen und bewährten Pump-speichertechnologie werden die zentralen Herausforderungen der Energiewende sehr gut gelöst. Die Kombination aus Speicher, gesicherter Leistung und Flexibilität vereint in einem Kraftwerkstyp ist der entscheidende Erfolgsfaktor.

• PSW sind als verbindendes Element zwischen den fluktuierenden EE und den konventionellen Energieerzeugern zu sehen.

• PSW sind durch eine hohe Auslastung wirtschaftlich. Durch ihren gezielten Einsatz wird die Energiewende kostengünstiger.

• Die Abregelung von EE sinkt signifikant durch EE-Einspeicherung. Entsprechend der Bedarfssituation kann Energie wieder ausgespeichert werden.

• Im Vergleich zur Vorhaltung fossiler Reserven ist eine CO2-Emissionsreduktion erzielbar.

• Der wirtschaftliche Nutzen von PSW steigt mit dem Ausbau der EE stetig an.

18Pumpspeicherkraftwerke: Die Klammer der Energiewende | Krüger, Schechner | 2014-03-12

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Kontakte:

Dr. Klaus Krüger Leiter R&D Voith Hydro [email protected]

Schechner AlexanderVoith Hydro [email protected]

Dr. Niklas RoteringIAEW der RWTH [email protected]

Documents

(Beitrag zu einer kostengünstigen und sicheren