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Im Fokus der Studiendatenbank stehen Veröffentlichungen, die sich mit dem notwendigen Umbau und der Steuerung des Energiesystems für eine erfolgreiche Energiewende insgesamt beschäftigen. Mehr zu den Kriterien, nach denen das Forschungsradar Studien aufnimmt …

 

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Analyse der Notwendigkeit des Ausbaus von Pumpspeicherkraftwerken und anderen Stromspeichern zur Integration der erneuerbaren Energien (PSW-Integration EE)

Herausgeber/Institute:

dena

Datum:

Februar 2010

Autoren:

Annegret-Cl. Agricola et al.

Art der Veröffentlichung:

Abschlussbericht

Auftraggeber/Förderer:

Schluchseewerk AG

Themenbereiche:

Energiesysteme
Ökonomie

Schlagwörter:

Elektromobilität, Energieeffizienz, Energiepreise, Windenergie, Wärmepumpe, Versorgungssicherheit, Strommarkt, Potenziale

Seitenzahl:

174

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Zielsetzung und Fragestellung

Die Studie wurde von der Schluchseewerk AG vor dem Hintergrund der Planung des neuen Pumpspeicherkraftwerks Atdorf im Südschwarzwald beauftragt. Sie untersucht die energiewirtschaftliche Bedeutung neuer Pumpspeicherkapazitäten und Stromspeicher im Allgemeinen sowie des geplanten Pumpspeicherkraftwerks Atdorf im Besonderen.

Im Zentrum steht die Frage, welchen Beitrag Energie- bzw. Stromspeicher zur System- und Versorgungssicherheit sowie zur Integration der Erneuerbaren Energien in Deutschland leisten können. Als Grundlage für die Analyse dieser Frage werden unter Berücksichtigung der Strategie der Bundesregierung zunächst Prognosen zur Entwicklung des konventionellen Kraftwerksparks und des Ausbaus der Erneuerbaren Energien entwickelt. Darauf aufbauend werden die möglichen volkswirtschaftlichen Kosteneffekte, Beiträge zur Reduzierung der CO2-Emissionen sowie zur Netzentlastung von Speichern ermittelt.

Zentrale Ergebnisse

Entwicklung des Energiesystems und Bedeutung von Speichern

Die Modellierung des Kraftwerkparks bis 2030 ergibt, dass sich die installierte Leistung der konventionellen Kraftwerke um weniger als 30 GW (Szenario sinkende Stromnachfrage) bzw. weniger als 15 GW (Szenario steigende Stromnachfrage) verringert. Grund dafür ist der hohe Bedarf an gesicherter Kraftwerksleistung zur Ergänzung der fluktuierenden Erneuerbaren Energien.   

Mit der Vorhaltung konventioneller Kraftwerkskapazitäten sind hohe Kosten verbunden. Um diese volkswirtschaftlichen Ineffizienzen zu reduzieren, ist der Ausbau von ...

Entwicklung des Energiesystems und Bedeutung von Speichern

Die Modellierung des Kraftwerkparks bis 2030 ergibt, dass sich die installierte Leistung der konventionellen Kraftwerke um weniger als 30 GW (Szenario sinkende Stromnachfrage) bzw. weniger als 15 GW (Szenario steigende Stromnachfrage) verringert. Grund dafür ist der hohe Bedarf an gesicherter Kraftwerksleistung zur Ergänzung der fluktuierenden Erneuerbaren Energien.   

Mit der Vorhaltung konventioneller Kraftwerkskapazitäten sind hohe Kosten verbunden. Um diese volkswirtschaftlichen Ineffizienzen zu reduzieren, ist der Ausbau von ...

Entwicklung des Energiesystems und Bedeutung von Speichern

Die Modellierung des Kraftwerkparks bis 2030 ergibt, dass sich die installierte Leistung der konventionellen Kraftwerke um weniger als 30 GW (Szenario sinkende Stromnachfrage) bzw. weniger als 15 GW (Szenario steigende Stromnachfrage) verringert. Grund dafür ist der hohe Bedarf an gesicherter Kraftwerksleistung zur Ergänzung der fluktuierenden Erneuerbaren Energien.   

Mit der Vorhaltung konventioneller Kraftwerkskapazitäten sind hohe Kosten verbunden. Um diese volkswirtschaftlichen Ineffizienzen zu reduzieren, ist der Ausbau von Energiespeicherkapazitäten von zentraler Bedeutung. Daneben spielen die Erschließung von Stromeinsparpotenzialen, eine begrenzt mögliche Anpassung des Stromverbrauchs an die fluktuierende Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien sowie der Netzausbau eine zentrale Rolle zur Flexibilisierung des Energiesystems.

Durch ausreichende Speicherkapazitäten können Stromerzeugung und -verbrauch zeitlich entkoppelt und die kostenintensive Vorhaltung konventioneller Erzeugungskapazitäten verringert werden. Der Speicheraufbau ist zudem eine wichtige Maßnahme zur Reduktion temporärer Stromüberschüsse und damit zur Entlastung der Netze.

Bewertung und Vergleich verschiedener Speichertechnologien

Pumpspeicherwerke (PSW) sind die derzeit flexibelste und auf absehbare Zeit kostengünstigste Speichertechnologie. Sie haben mit 80 % einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind insgesamt die wirtschaftlichste Option zum Lastausgleich im Hoch- und Höchstspannungsnetz. PSW leisten durch die schnelle Bereitstellung von Regelenergie und Blindleistung einen hohen Beitrag zur Versorgungs- und Systemsicherheit. Der Nachteil von PSW ist ihr im Vergleich zu Druckluftspeichern größerer Natureingriff, auch sind sie wegen der topologischen Verhältnisse in Deutschland in ihrem Ausbaupotenzial beschränkt.

Adiabate Druckluftspeicher sind technisch noch nicht vollständig entwickelt, ihre Kosten werden wahrscheinlich leicht über denen von PSW liegen. Wesentliche Nachteile von diabaten Druckluftspeichern ist der zusätzliche Brennstoffbedarf und damit geringere Wirkungsgrad. Druckluftspeicher sind im Vergleich zu PSW weniger schnell einsatzbereit und unterliegen Nutzungskonkurrenzen bezüglich der geeigneten Salzkavernen. Batterien sind aufgrund der hohen Investitionskosten je Leistungseinheit noch nicht wirtschaftlich.

Die vorhandenen Speichertechnologien sind keine Option für längerfristige (saisonale, Wochen-)Speicher. Wegen ihrer höheren Energiedichte gelten derzeit Wasserstoffsysteme als die einzige Langzeitspeichertechnologie.

Neben der Nutzung zentraler Energiespeicher (Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher und zukünftig voraussichtlich auch Wasserstoffspeicher), werden in Zukunft auch dezentrale Energiespeicher zum Einsatz kommen. Dazu gehören Strom- und Wärmespeicher, zum Beispiel in Wärmepumpensystemen, Batteriespeicher in Verbindung mit der Elektromobilität und weitere Technologien. Diese Entwicklung geht mit einer Transformation des Energieversorgungssystems in Deutschland einher und steht in enger Verbindung mit der Entwicklung intelligenter Stromnetze („Smart Grids“).

Auswirkungen durch den Neubau des Pumpspeicherkraftwerks Atdorf

Das geplante Pumpspeicherwerk Atdorf kann zu Kostenreduktionen und CO2-Einsparungen der Stromerzeugung sowie zu einer verbesserten Integration der Erneuerbaren Energien in das Stromversorgungssystem führen. Durch den Neubau wird bei kostenoptimiertem Einsatz ein Preisdämpfungseffekt um durchschnittlich ca. 14 Cent pro Megawattstunde am Stromspotmarkt erreicht. Dies senkt die volkswirtschaftlichen Kosten der Strombedarfsdeckung um knapp 21 Millionen Euro. Durch die marktgesteuerte Fahrweise des Pumpspeicherwerks Atdorf wird auch die Residuallast geglättet. Der Minimalwert der Residuallast wird um 1.400 MW angehoben, der Maximalwert wird um 1.368 MW gesenkt. Die Vergleichssimulation, in der das PSW allein mit dem Ziel der Residuallastglättung eingesetzt wird, ergibt kaum Unterschiede im Glättungseffekt zur preisgesteuerten Fahrweise. Durch die Residuallastglättung können die Erzeugung teuren Spitzenlaststroms und der mit hohen CO2-Emissionen verbundene Teillastbetrieb konventioneller Kraftwerke reduziert werden.

Aufgrund der Lage an einem zentralen Netzknoten in Süddeutschland ist das Kraftwerk geeignet, um Nord-Süd-Engpässe im Stromnetz abzubauen und das Netz zu entlasten. Es kann zudem in Deutschland Regelenergie bereitstellen, ohne dass dafür grenzüberschreitende Übertragungskapazitäten freigehalten werden müssen. Im Betrachtungszeitraum 2020 bis 2030 kann durch die Speicherung des zeitweisen Stromüberschusses die Strommenge von insgesamt 3,7 TWh (Szenario sinkende Stromnachfrage) bzw. 1,3 TWh (Szenario steigende Stromnachfrage) im deutschen Stromversorgungssystem zusätzlich genutzt werden, was zu einer Minimierung der CO2-Emissionen führt.

Um die gesamte Strommenge aus Erneuerbaren Energien integrieren zu können und damit noch weiter zur Reduktion der CO2-Emissionen des deutschen Kraftwerksparks beizutragen, ist der Ausbau weiterer Speicherkapazitäten notwendig.

Zentrale Annahmen und Thesen

Die Abschätzung der weiteren Entwicklung des Anteils der Erneuerbaren Energien an der Stromversorgung erfolgt auf der Basis des BMU-Leitszenarios 2009. Dies bedeutet einen Anteil der Erneuerbaren Energien von 35 Prozent an der Stromversorgung im Jahr 2020. Die installierte Leistung der Erneuerbaren Energien wird sich demnach von 38 GW im Jahr 2008 bis 2020 auf voraussichtlich 103 GW steigern. Der ...

Die Abschätzung der weiteren Entwicklung des Anteils der Erneuerbaren Energien an der Stromversorgung erfolgt auf der Basis des BMU-Leitszenarios 2009. Dies bedeutet einen Anteil der Erneuerbaren Energien von 35 Prozent an der Stromversorgung im Jahr 2020. Die installierte Leistung der Erneuerbaren Energien wird sich demnach von 38 GW im Jahr 2008 bis 2020 auf voraussichtlich 103 GW steigern. Der ...

Die Abschätzung der weiteren Entwicklung des Anteils der Erneuerbaren Energien an der Stromversorgung erfolgt auf der Basis des BMU-Leitszenarios 2009. Dies bedeutet einen Anteil der Erneuerbaren Energien von 35 Prozent an der Stromversorgung im Jahr 2020. Die installierte Leistung der Erneuerbaren Energien wird sich demnach von 38 GW im Jahr 2008 bis 2020 auf voraussichtlich 103 GW steigern. Der Beitrag der Erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung wird von 93 TWh im Jahr 2008 auf 193 TWh im Jahr 2020 wachsen. Für 2030 rechnet die Studie mit 317 TWh Strom aus Erneuerbaren Energien.

Die Einschätzung der Entwicklung des konventionellen Kraftwerksparks orientiert sich an der dena-Kraftwerksanalyse 2008. Außerdem wird entsprechend der Koalitionsvereinbarung der Bundesregierung eine 20-jährige Laufzeitverlängerung für Kernkraftwerke angenommen.

Für die Entwicklung der Stromnachfrage werden zwei Szenarien zugrundegelegt. Das Szenario sinkender Stromnachfrage geht von einem Rückgang des Stromverbrauchs um 8% bis zum Jahr 2020 und anschließend von einer konstanten Stromnachfrage bis 2030 aus. Im Szenario steigender Stromnachfrage wird eine Zunahme des Stromverbrauchs um rund 8,3% bis zum Jahr 2030 erwartet. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass der Ersatz konventioneller Energieträger durch Strom in vielen Anwendungsbereichen die Effizienzsteigerungen überwiegt.

Methodik

Die Studie prognostiziert im ersten Schritt die Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks bis zum Jahr 2030. Anhand eines Szenarios mit sinkender Stromnachfrage und eines mit steigender Stromnachfrage bis 2030 werden die zur Deckung des Strombedarfs notwendigen konventionellen Erzeugungskapazitäten ermittelt. Ausschlaggebend sind dafür die Sterbelinie der bestehenden Kraftwerkskapazitäten unter Annahme branchenüblicher Nutzungsdauern sowie aktuelle Neubauplanungen mit einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit. Vorgegeben sind zudem das Ausbauszenario der Erneuerbaren Energien mit ihrer ...

Die Studie prognostiziert im ersten Schritt die Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks bis zum Jahr 2030. Anhand eines Szenarios mit sinkender Stromnachfrage und eines mit steigender Stromnachfrage bis 2030 werden die zur Deckung des Strombedarfs notwendigen konventionellen Erzeugungskapazitäten ermittelt. Ausschlaggebend sind dafür die Sterbelinie der bestehenden Kraftwerkskapazitäten unter Annahme branchenüblicher Nutzungsdauern sowie aktuelle Neubauplanungen mit einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit. Vorgegeben sind zudem das Ausbauszenario der Erneuerbaren Energien mit ihrer ...

Die Studie prognostiziert im ersten Schritt die Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks bis zum Jahr 2030. Anhand eines Szenarios mit sinkender Stromnachfrage und eines mit steigender Stromnachfrage bis 2030 werden die zur Deckung des Strombedarfs notwendigen konventionellen Erzeugungskapazitäten ermittelt. Ausschlaggebend sind dafür die Sterbelinie der bestehenden Kraftwerkskapazitäten unter Annahme branchenüblicher Nutzungsdauern sowie aktuelle Neubauplanungen mit einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit. Vorgegeben sind zudem das Ausbauszenario der Erneuerbaren Energien mit ihrer vorrangigen Stromeinspeisung sowie die KWK-Zielsetzung der Bundesregierung. Mit Hilfe eines volkswirtschaftlichen Optimierungsmodells der TU München werden unter diesen Rahmenbedingungen die installierten Kapazitäten der einzelnen Erzeugungstechnologien, deren Anteil an der Stromerzeugung und die geographische Verteilung in Deutschland berechnet.

Die Bewertung der Speichertechnologien erfolgt anhand technischer, wirtschaftlicher und netzorganisatorischer Kriterien, definierter Anwendungsfälle sowie der Betrachtung zentraler und dezentraler Speicherung. Für bestimmte Technologien werden zudem das technische Entwicklungspotenzial sowie das grundsätzlich in Deutschland realisierbare Ausbaupotenzial betrachtet.

Die möglichen energiewirtschaftlichen Auswirkungen des Pumpspeicherkraftwerks Atdorf werden mit Hilfe eines Modells zur Kraftwerks- und Speichereinsatzplanung der TU München analysiert. Dabei wird zum einen die markt- bzw. preisgesteuerte Fahrweise simuliert unter Berücksichtigung der geplanten Leistungsdaten und realer Strompreise, Lastverläufe und Stromerzeugungsdaten des Jahres 2008. Zum Vergleich wird der rein technisch-theoretische Einsatz des PSW zur Residuallastglättung untersucht.

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