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11.06.2012 / 1

Energiespeicher für die Energiewende

Speichereinsatz und Auswirkungen auf das

Übertragungsnetz

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11.06.2012 / 2

Fragestellung der Studie

Zukünftiger Ausgleich zwischen Verbrauch und volatiler EE-ErzeugungKurzzeitspeicher (< 24 h)Langzeitspeicher (> 24 h)Flexible KraftwerkeFlexible EE-Erzeugung (Abregeln)

Auswirkungen auf den Netzausbau

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11.06.2012 / 3

Methodisches Vorgehen

Variante A: Kraftwerke,EE-Abregelung

Variante B: Kraftwerke, Kurzzeitspeicher (Vollzubau)

Variante C: Kraftwerke, Langzeitspeichern (Vollzubau)

Variante D: Kraftwerke,Kurz- und Langzeitspeicher (Vollzubau).

Variante E: Kraftwerke,Kurz- und Langzeitspeichern (50%-Ausbau)

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11.06.2012 / 4

Erkenntnis 1Die Anlagen im Stromsystem müssen flexibler eingesetzt werden.

Steigender Flexibilitätsbedarf im Kurzzeit- und LangzeitbereichIn allen Varianten konnte der Flexibilitätsbedarf befriedigt werden.

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

100

120

140

160LastEE‐ErzeugungResiduallast

GW

Wochen

Abbildung 4.1: Jahresganglinie von Last, EE-Erzeugung und Residuallast im 80%-Szenario

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11.06.2012 / 5

Erkenntnis 2Bis zu einem EE-Anteil von 40% können auch Kraftwerke und eine geringe Abregelung der EE-Einspeisung den variablen Verbrauch und die schwankende Erzeugung effizient ausgleichen.

Abbildung 4.2: Stromgestehungskosten für verschiedene Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

A B C D E

VariableStromgestehungskosten

Investitionskosten Speicher

Investitionskosten Kraftwerke

79€/MWh

€/MWh

83€/MWh

87€/MWh

89€/MWh

84€/MWh

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11.06.2012 / 6

Erkenntnis 3Speicher werden bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt.

Bei EE-Anteil von 40% nur wenige Stunden mit ErzeugungsüberschussSpeicher dienen dann überwiegend der Einsatzoptimierung der Kraftwerke (klassische Speicherfunktion).

Abbildung 4.3: Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40%

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

8

10

B C D E

nicht abgeregelte EE

Biomasse KWK

KWK

Erdgas, Erdöl

Steinkohle

Braunkohle

TWh

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11.06.2012 / 7

Erkenntnis 4Eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen ist empfehlenswert (bei EE-Anteilen über 40%).

Im 80%-Szenario Zubau von 14 GW bzw. 70 GWh (5 Stunden)an Kurzzeitspeichern und ca. 18 GW bzw. 7,5 TWh (17 Tage)sowie EE-Abregelung weniger als 1 % sinnvoll (Variante E)Ohne Speicher im 80%-Szenario EE-Abregelung von 7% erforderlich, dann aber 80%-Ziel nicht erreichtAnnuitätische Investitionskosten des Speicherparks im 80%-Szenarioca. 3 Mrd. €/a (Variante E)

Abbildung: Dauerlinien der Ein- und Ausspeicherung; Variante D, 80%-Szenario

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11.06.2012 / 8

Erkenntnis 5

Speicher sollen nach Energiemengen und nicht nach Leistungsspitzen ausgelegt werden.

Abregeln der seltenen, aber großen EE-Leistungsspitzen grundsätzlich wirtschaftlicher als Speicherauslegung auf diese großen Leistungswerte

Tabelle 4.1: Vergleich der verschiedenen Speicherausbaugrade für das 80%-Szenario; Abregelung ohne Betrachtung von Netzengpässen und Netzbetrieb

reduzierter Speicherpark

(Variante E) Speicher für volle Nutzung

der EE (Variante D)

Kurzzeitspeicher (Lade- / Entladeleistung / Energie)

14 GW / 14 GW / 70 GWh 28 GW / 26 GW / 140 GWh

Langzeitspeicher

(Lade- / Entladeleistung / Energie) 18 GW / 18 GW / 7 TWh 36 GW / 29 GW / 8 TWh

abgeregelte erneuerbare Energiemenge aus Windenergie- und PV-Anlagen

0,4 TWh/a 0 TWh/a

annuitätische Investitionskosten der Speicher

3 Mrd. €/a 5,1 Mrd. €/a

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11.06.2012 / 9

Erkenntnis 6

Kurz- und Langzeitspeicher dienen bei einem EE-Anteil von 80% dem Klimaschutz.

Bei EE-Anteil von 40% dienen Speicher nicht dem Klimaschutz(Flexibilität steigert Braunkohle-Grundlast).Bei EE-Anteil von 80% substituiert eingespeicherte EE-Erzeugung Stromerzeugung aus fossilem Gas.

Abbildung 4.6: Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 80%

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

40

B C D E

nicht abgeregelte EE

Biomasse KWK

KWK

Erdgas, Erdöl

Steinkohle

TWh

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11.06.2012 / 10

Erkenntnis 7

Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mitSpeichereinsatz nur um ca. 10% bis 2050.

Abbildung 4.7: Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen

0

20

40

60

80

100

120

2010 40%‐A 80%‐E

Variable Stromgestehungskosten

Investitionskosten Speicher

Investitionskosten Kraftwerke

78€/MWh

79€/MWh

84€/MWh

€/MWh

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11.06.2012 / 11

Erkenntnis 8Bei einer Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% verdreifacht sich der Speicherbedarf.

Die letzte Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% ist teurer als die Steigerung des EE-Anteils von 17% auf 80%.

Abbildung 4.7: Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen

0

20

40

60

80

100

120

2010 40%‐A 80%‐E 100%‐D

Variable Stromgestehungskosten

Investitionskosten Speicher

Investitionskosten Kraftwerke

78€/MWh

79€/MWh

84€/MWh

100 €/MWh

€/MWh

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11.06.2012 / 12

Erkenntnis 9Kraftwerke und Langzeitspeicher sorgen auch zukünftig für Versorgungssicherheit.

Bis EE-Anteil von 80% ist die installierte Leistung der Erzeugungsanlagen (Kraftwerke, KWK) stets in der Größenordnung der Spitzenlast.

Abbildung 4.8: Notwendige Kraftwerkskapazitäten mit hoher Verfügbarkeit bei verschiedenen Speicherzubauvarianten und verschiedenen EE-Anteilen

0

20

40

60

80

100

120

140

2010 40%‐A 40%‐B 40%‐C 40%‐D 40%‐E 80%‐A 80%‐B 80%‐C 80%‐D 80%‐E 100%

Wasserkraft

Geothermie

Biomasse‐KWK

KWK

Gas (Langzeitspeicher)

Gas (Fossil)

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

GW

118,7GW 

95,7GW 

95,4GW 

110,9GW 

107,8GW 

99,7GW 

95,7GW 

93,5GW 

100,7GW 

99,2GW 

93,1GW 

77,8GW 

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11.06.2012 / 13

Erkenntnis 10Speicher entlasten Übertragungsnetze ohne Beachtung des Netzbetriebes kaum.

Abbildung 4.9: Erwartungswerte der höchsten Betriebsmittelauslastungen im Vergleich

25 %

30 %

35 %

40 %

45 %

50 %

55 %

A E_Last E_EE D_Last D_EE25 %

30 %

35 %

40 %

45 %

50 %

55 %

A E_Last E_EE D_Last D_EE

40 %-Szenario 80 %-Szenario

Erw

artu

ngsw

erte

der

höc

hste

n A

usla

stun

gen

Erw

artu

ngsw

erte

der

höc

hste

n A

usla

stun

gen

Grundlastfluss(n-1)-Ausfallrechnung

Netzmodell 1Netzmodell 2Netzmodell 2 (modifiziert)Netzmodell 3Netzmodell 4

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11.06.2012 / 14

Erkenntnis 11Keine Präferenz für last- oder erzeugungsnahe Speicherallokation

Anzahl unzulässigerSystemzustände

je Bereich gesamt

I II IIIA 15 9 57 594ELast 8 29 26 572EEE 0 21 34 565DLast 9 28 21 579DEE 0 18 29 558

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

35 45 55 65 75 85 95

EE

I II

III

EE

-Ein

spei

sung

[%

]

Netzlast [%]

unzulässiger Betriebszustandzulässiger Betriebszustand

Tabelle 4.3: Unzulässige Systemzustände je Bereich im 40%-Szenario, Netzmodell 2, alle Speichervarianten

Abbildung 4.10: Systemzustände im 40%-Szenario, Netzmodell 2, Speichervariante D

EE, (n-1)

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11.06.2012 / 15

Handlungsempfehlungen und Ausblick

HandlungsempfehlungenSpeicherzubau erst ab EE-Anteilen ab 40% erforderlich. Zeitfenster bis 2025 nutzen zu Forschung und Entwicklung.Masterplan für Markteinführung heute, damit erforderlicher Speicherzubau 2025 - 2050 rechtzeitig erfolgt.

Ausblick auf weiteren ForschungsbedarfWechselwirkungen Speicher und Netz(Netzsicherheit, Netzausbau, Systemdienstleistungen)VersorgungssicherheitSpartenübergreifende Optimierung (Strom, Gas, Verkehr, Wärme)Marktdesign und Netzregulierung für System mit hohem Anteil erneuerbarer Erzeugung und Speicher