Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf...Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung 29. Mai 2013 Seite 2 Vortrag im Rahmen der Ringvorlesung Transformation

Prof. Dr.-Ing. Roland ScharfInstitut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung


Seite 229. Mai 2013

Vortrag im Rahmen der Ringvorlesung

Transformation des Energiesystems

an der Leibniz Universität Hannover

im Sommersemester 2013

Überschuss und Mangel an Regenerativer Energie – Lösungsansätze


Seite 329. Mai 2013

Inhalt

1. Strom aus Erneuerbaren Energien

2. Gesicherte Kraftwerksleistung

3. Reihenfolge für den Kraftwerkseinsatz

4. Überschuss und Mangel

5. Energiespeicherung

6. Aktueller Strommarkt

7. Fazit und Ausblick


Seite 429. Mai 2013

Stromerzeugung 2012 in Deutschland

22 % aus Erneuerbaren 58 % aus Konventionellen

4 % mit Pumpspeichern16 % aus Kernenergie


Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen - Stand Januar 2013


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EEG-Ausbau in Deutschland

0

20

40

60

80

100

120

140

160Geothermie

Photovoltaik

Abfall *

Biomasse **

Windenergie

Wasserkraft ***

* biogener Anteil

(Annahme 50 %)

TWh

*** bei Pumpspeicher-

kraftwerken nur

Stromerzeugung aus

natürlichem Zufluss

** bis 1998 nur

Einspeisung in das

Netz der allgemeinen

Versorgung, Angaben

ab 2003 beinhalten

auch die industrielle

Stromerzeugung aus

flüssiger Biomasse

Stromeinspeisegesetz

ab 1. Januar 1991

Novelle BauGB

ab November 1997

EEG 2004

ab 1. August 2004

EEG 2000

ab 1. April 2000

EEG 2009

ab 1. Januar 2009

Novellierungen des

Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)

2012: Σ EEG = 136 TWh

Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Erneuerbare Energien in Zahlen, Juli 2012 u. Februar 2013.



Seite 629. Mai 2013

Ziele der Bundesregierung

Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Erneuerbare Energien in Zahlen, Juli 2012

35 %

50 %

65 %

80 %

2020 2030 2040 2050

Anteil erneuerbarer Energien

am Stromverbrauch

bis

spätestens

18 %

30 %

45 %

60 %

2020 2030 2040 2050

Anteil erneuerbarer Energien

am Brutto-Endenergieverbrauch

bis

spätestens



Seite 729. Mai 2013

Erwartete Entwicklung des EEG-Ausbaus

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200

2020 2030 2040 2050

in TWh

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2020 2030 2040 2050

bei Höchstlast

bei Mindeslast

Kapazitätsentwicklung Energie-Überschüsse

Quelle: Fraunhofer IWES 2011,

„Haben wir Speicherprobleme?“

Quelle: Sachverständigenrat für Umweltfragen (RU)

Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung

Sondergutachten Januar 2011.



Seite 829. Mai 2013

Ausfallarbeit und Entschädigungszahlungen

Quelle: Bundesnetzagentur Monitoringbericht 2012

* im wesentlichen abgeregelte Windenergie

Ausfallarbeit* Entschädigungszahlungen**


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2009 2010 20110

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2009 2010 2011

in GWhin Mio. €421

127

74 6,0

10,2

33,5

** nach §13 Abs. 2 EnWG

i.V.m. §11 Abs. 1 EEG


Seite 929. Mai 2013

Systematik



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Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2000

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Netto-Leistung in Betrieb gesicherte Leistung

Nicht gesicherte Leistung

Geplante Nichtverfügbarkeiten

Ungeplante Nichtverfügbarkeiten

Systemdienstleistungen

Sonstige Erneuerbare Energien

Biomasse

Solarenergie

Windenergie

Pumpspeicher

Lauf- und Speicherwasser

Sonstige Konventionelle

Erdgas

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

GW

Freie gesicherteLeistung

Jahres-Höchstlast

125 125

97

76

21

Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Energiedaten u. eigene Berechnungen





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Biomasse

Solarenergie

Windenergie

Pumpspeicher



Erdgas

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

GW


Jahres-Höchstlast

161 161

99

77

22

Quelle: Bundesnetzagentur Monitoring-Bericht 2011 u. eigene Berechnungen





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140

160

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Biomasse

Solarenergie

Windenergie

Pumpspeicher



Erdgas

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

GW


Jahres-Höchstlast

164 164

90

78

12

Quelle: www.Bundesnetzagentur.de u. eigene Berechnungen





0

20

40

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120

140

160

180







Biomasse

Solarenergie

Windenergie

Pumpspeicher



Erdgas

Steinkohle

Braunkohle

Kernenergie

GW


Jahres-Höchstlast

162 162

81

80

1

Quelle: www.Bundesnetzagentur.de u. eigene Berechnungen




Merit-Order


Quelle: Bundesnetzagentur, Kraftwerksliste - Stand 1.2.2013

Gre

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ost

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trom

erze

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Merit-Order Januar 2011 – mit Erneuerbaren Energien



Gre

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trom

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ugung



Merit-Order-Effekt

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trom

erze

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Merit-Order Januar 2012 – nach Abschaltung von 8 Kernkraftwerken



Gre

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Merit-Order Januar 2013 – Nach Reduzierung konventioneller Leistung



Gre

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ugung



Stromerzeugungsleistung in geordneter Reihenfolge

Quelle: www.bundesnetzagentur.de, eigene Berechnungen und

Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG § 12 Abs. 4 und 5


http://www.bundesnetzagentur.de/



Residualleistung und Freie Gesicherte Leistung – Deutschland 2012


Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5





Entwicklung bei geplantem EEG-Ausbau


Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2012 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5


GW




Wohin mit den Überschüssen?

• Anreize für höheren Verbrauch bei Überlast

• Ausbau der Verteil- und Transportnetze

• Ausbau der Kapazitäten für den internationalen Stromaustausch

• Ausbau vorhandener Speichertechnologien

• Einführung neuer Speichertechnologien




Verfügbare Speichersysteme

1. Akkumulatoren / Batterien

2. Druckluftspeicher

3. Wasserstoff-Elektrolyse / Power to Gas

4. Pumpspeicher-Kraftwerke




Akkumulatoren

Typ Energiedichte

in Wh/kg

Ladewirkungs-

grad in %

Einsatzgebiet

Blei-Akkumulator 30 - 40 80 - 98 Starterbatterie

Nickel-Cadmium-Zelle 40 - 70 66 Notfall-Stromversorgung

Nickel-Metallhydrid-Zelle 60 – 80 75 Elektroauto

Lithium-Ionen-Zelle 120 - 200 80 - 99 Elektroauto

Quelle: Uni Siegen, Seminar „Energiespeicher/Energiebereitstellung für Elektrofahrzeuge“, 2012.


Fahrzeugtyp Smart Tesla

Hersteller Daimler AG, Hambach, Frankreich Tesla-Motors, Palo Alto, USA

Typ / Gewicht Lithium-Ionen-Zellen / 175 kg Lithium-Ionen-Zellen / 408 kg

Lade-Leistung / -Dauer bei 230 V, 13 A (3 kW ) / ca. 7 h 400 V, 63 A (53 kW ) / ca. 2 h

Speicherkapazität 18 kWh 56 kWh

Motor-Leistung 55 kW 215 kW



Das weltgrößte Batteriekraftwerk

Kraftwerk BESS Fairbanks, Alaska

Betreiber Golden Valley Electric Association

Hersteller ABB, Baden, Schweiz

Akkumulator-Typ / Gewicht Nickel-Cadmium-Batterien / 1300 t

Platzbedarf 120 m x 26 m (Fußballfeld)

Batteriespannung 5000 V

Speicherkapazität 3680 Ah

Speichergröße 18,4 MWh

Netzspannung, -strom u. Frequenz 138 kV / 187 A / 59-60.5 Hz

Nennleistung 26,7 MW

Kurzzeitige mögl. Spitzenleistung 46 MWQuelle: ABB, Baden, Schweiz

Foto: Golden Valley Electric Ass., Fairbanks, USA

Battery Energy Storage System (BESS)




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En

erg

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Einspeicherungs-Leistung

GWh

MW

Batteriespeicher

Golden ValleyElectric

Fairbanks,

Alaska

Elektroautos

Zielbereich

Smart3 kW, 18 kWh

Tesla53 kW, 56 kWh

GWh

MWh

TWh

PWh

MW GWkW

80 - 200 TWh

40 - 80 GW

Leistungsspektrum verschiedener Batteriesysteme




Druckluftspeicher

Quellen: Huntorf, E.ON SE; McIntosh, Power South Energy Corp.; Stassfurt, RWE AG

Anlage Einspeich.-

leistung

in MW

Erzeug.-

leistung

in MW

Speicher-

Kapazität

in MWh

Luftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerk Huntorf, Niedersachsen, 1978 60 321 600

Compressed Air Energy Storage (CAES) McIntosh, Alabama, 1991 60 110 2860

ADELE (Adiabate Druckluftanlage) Stassfurt, Sachsen-Anhalt, 2013 90 90 360


Speicher-Kraftwerk Huntorf

Speichervolumen 2 x 150 Tsd. m3

Einspeich.-Leistung 60 MW - 8 h

Erzeug.-Leistung 321 MW - 2 h

Druckbereich 40 - 65 bar

Energiespeicher 600 MWh

Brennstoff Erdgas

Baujahr 1978



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En

erg

ie


GWh

MW

Druckluftspeicherkraftwerke

Kraf twerkHuntorf ,

Niedersachsen

Kraf twerkMcintosh,Alabama

Kraf twerkADELE

Stassfurt,

Sachsen-Anhalt

Batteriespeicher

Zielbereich

GWh

MWh

TWh

PWh

MW GWkW

80 - 200 TWh

40 - 80 GW

Druckluftspeicher-Kraftwerke




Das deutsche Erdgassystem

Länge 453 000 km

Transportkapazität ca. 1000 TWh

Absatz 2010 99,5 Mrd. Nm3

Anzahl Erdgasspeicher 47

Fassungsvermögen 23,5 Mrd. Nm3

Zulässiger H2-Anteil 5 %

H2-Speicherkap. b. 5 % 22,5 TWh

Quelle: DENA Strategieplattform „Power to Gas“




Elektrolyse-Technologien

Technologie Antriebs-

leistung

in MW

Wasserstoff-

produktion

in Nm3/h

System

Wirkungs-

grad in %

Investitions-

kosten

in €/kW

Alkalische Elektrolyse

nach dem Lurgi-Verfahren3 - 15 500 - 1500 78 - 82 800 - 1500

Proton Exchange Membran-

(PEM-) Elektrolyse0,2 - 2 30 - 250 64 - 86 1200 - 2500

Hochtemperatur-Feststoff –

(HT-) Elektrolyse (900 oC)

Erwartung:

> 80Forschung

Quelle: Fraunhofer ISE, „Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien“


Redoxreaktion

Kathode: 2 H2O (l) + 2 e-

H2 (g) + 2 OH-

Anode: 2 OH-

½ O2 + H2O + 2 e-

Gesamtreaktion: H2O (l) H2 (g) + ½ O2 (g)

Reaktionsenthalpie: D HR0 = + 572 kJ/mol

z.B. alkalische Elektrolyse:



Power to Gas

Elektrische Leistung 2 MW

Elektrolyseur-Lieferant Hydrogenics Corp., USA

Verfahren Alkali-Elektrolyse HySTAT™

Wasserstoffproduktion 360 Nm3/h

H2-Einspeisung Erdgasnetz der ONTRAS

Inbetriebnahme Voraussichtlich 2013-Q3

Quelle: E.ON Innovation Center Energy Storage

E.ON „power to gas“-

Demonstrationsprojekt

Falkenhagen, Brandenburg

Foto: Hydrogenics Corp.




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En

erg

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GWh

MW

Druckluftspeicher

Batteriespeicher

Power to Gas

AlkalischeDruck-Elektrolyse

3,5 MW

PEM -Elektrolyse3 - 300 kW

Zielbereich

GWh

MWh

TWh

PWh

MW GWkW

80 - 200 TWh

40 - 80 GW

E.ON ProjektFalkenhagen,Brandenburg,

2 MW

Power to Gas




Pumpspeicher-Kraftwerke

System Pumpleistung

in MW

Speicherkapazität

in GWh

Investitionskosten

in Mio. €

Kraftwerk Goldisthal, Thüringen 1060 8,5 620

Kraftwerksgruppe Maltatal, Kärnten 1130 588 1000

Kraftwerksgruppe Sira-Kvina, Norwegen 1760 5600 > 1000

Quellen: Goldisthal, Vattenfall Europe AG, Berlin; Maltatal, Verbund AG, Salzburg; Sira-Kvina, Sira-Kvina Krafselskap, Tonstad


Kölnbreinspeicher der Kraftwerksgruppe Maltatal Oberbecken des Kraftwerks Goldisthal



Nutzung vorhandener Speicher in Norwegen

Benötigte Netzkapazität ca. 40 GW

in Errichtung Nord.Link 01

Leistung Nord.Link 01 1,4 GW

Länge Nord.Link 01 530 km

Investition Nord.Link 01 1,5 - 2 Mrd. €

Errichtung 2016 - 2018

Anzahl Wasserkraftwerke ca. 150

Speicherkapazität 100 TWh

Installierte Leistung 30 GW

Jahresproduktion 100-120 TWh

Quelle: Statnett SF

Quelle: Statkraft AB

Bild-Quelle: Sira-Kvina Kraftselskap




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En

erg

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GWh

MW

Pumpspeicher

Kraftwerks-gruppe

Maltatal,Kärnten

KraftwerkGoldisthal,Thüringen

Druckluftspeicher

Batteriespeicher

40 - 80 GW

Zielbereich

80 - 200 TWh

TWh

PWh

GWh

MWh

GWMWkW

Power to Gas

Kraftwerks-gruppe

Sira-Kvina,Norwegen

KraftwerkTonstad,

Norwegen

Speicher-Kraftwerke Norwegen

Pumpspeicher-Kraftwerke




Mangel an Erzeugungskapazität - Lösungsansätze

• Kapazitätsmarkt für Kraftwerksleistung

• Nutzung im Ausland vorhandener Leistungsreserven

• Erschließung neuer Leistungsreserven im Ausland

• Errichtung einfacher neuer Kraftwerke


Bildquellen: energiespeicher.blogspot.com;

agraheute.com; atcopower.com;

Statnett SF



Stromerzeugungskosten und Marktpreise Mai 2013

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ELIX

GuD 55 %

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Steinkohle > 40 J

Steinkohle > 20 J

Steinkohle Neu

Braunkohle > 40 J

Braunkohle > 20 J

Braunkohle Neu

Kernenergie

€/MWh

%

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Auslastung

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Strompreis: 42,09 €/MWh ELIX Day Base 28. Mai 2013

Erdgaspreis: 26,77 €/MWh EGIX Germany Mai 2013

Steinkohlepreis: 87,75 $/t Wallstreet 27. Mai 2013 (Schlusskurs)

CO2-Zertifikatspreis: 3,50 €/t Börse Frankfurt 28. Mai 2013

Brennelementsteuer: 145 €/g §13 KernBrStG ab 1. Jan 2011

VBh




Stromerzeugungskosten bei CO2-Zertifikatspreis 20 €/tCO2

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ELIX

GuD 55 %

GuD 60 %

Steinkohle > 40 J

Steinkohle > 20 J

Steinkohle Neu

Braunkohle > 40 J

Braunkohle > 20 J

Braunkohle Neu

Kernenergie

€/MWh

%

800050004000300020001000 70006000

Auslastung

Str

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Strompreis: 52,09 €/MWh ELIX Day Base 28. Mai 2013

Erdgaspreis: 26,77 €/MWh EGIX Germany Mai 2013

Steinkohlepreis: 87,75 $/t Wallstreet 27. Mai 2013 (Schlusskurs)

CO2-Zertifikatspreis: 20 €/t Börse Frankfurt 28. Mai 2013

Brennelementsteuer: 145 €/g §13 KernBrStG ab 1. Jan 2011




Folgen der aktuellen Marktsituation

•Aktuelle Marktpreise für Kohle, Gas, CO2-Zertifikate und Strom

nur für Kohle- und Kernkraft auskömmlich

•Wegen hoher Gaspreise können selbst die modernsten Gas- und

Dampf- (GuD-) Kraftwerke keine Deckungsbeiträge erwirtschaften.

•Selbst bei Zertifikat-Preisen von 20 €/tCO2

sind moderne

GuD-Kraftwerke kaum wirtschaftlich

•Mit der Zunahme der Erzeugung aus Erneuerbaren Energien

wird sich die Situation am Strommarkt weiter verschärfen




Fazit und Ausblick

• Der Ausbau der Erneuerbaren Energien führt

zunehmend zu Produktions-Überschüssen.

• Mangel an gesicherter Erzeugungskapazität

durch Einspeise-Vorrang.

• Die Energie-und Kraftwerkstechnik bleibt ein

spannendes Thema.

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GWh

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Pumpspeicher

Kraftwerks-gruppe

Maltatal,Kärnten

KraftwerkGoldisthal,Thüringen

Druckluftspeicher

Batteriespeicher

40 - 80 GW

Zielbereich

80 - 200 TWh

TWh

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GWMWkW

Power to Gas

Kraftwerks-gruppe

Sira-Kvina,Norwegen

KraftwerkTonstad,

Norwegen

Speicher-Kraftwerke Norwegen

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Erneuerbare Laufwasser Kernenergie Pumpspeicher Braunkohle Steinkohle GuD Gasturbine Öl u. sonst. Konv.

GW

Merit-order Effekt

Lastabdeckungmit Erneuerbaren

Lastabdeckung ohne Erneuerbare

Grenzkosten ohneErneuerbare

€/MWh

verfügbare Kraftwerksleistung

Grenzkosten mitErneuerbaren



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