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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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Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien

Herausgeber/Institute:

BEE, BET

Datum:

März 2013

Autoren:

Sigrid Achner, Stefan Brühl, Norbert Krzikalla

Art der Veröffentlichung:

Studie

Auftraggeber/Förderer:

BEE

Themenbereiche:

Energiesysteme
Politik

Schlagwörter:

Netzintegration, Systemtransformation, Potenziale

Seitenzahl:

97

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Zielsetzung und Fragestellung

Im Auftrag des Bundesverbands Erneuerbare Energie (BEE) analysiert BET die Möglichkeiten zum Ausgleich der zunehmenden fluktuierenden Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien. Grundlage für die Ermittlung des Ausgleichsbedarfs ist das aktuelle BEE-Ausbauszenario bis zum Jahr 2030. Ziel ist es, die notwendigen und möglichen Ausgleichsmaßnahmen aufzuzeigen und zu systematisieren. Dabei sind die technischen Eigenschaften, Reife, Kosten, Potenziale oder Verfügbarkeit der verschiedenen Flexibilitätsoptionen zu erläutern und zu bewerten, wann die einzelnen Optionen in welchem Umfang sinnvollerweise genutzt werden. Zudem soll analysiert werden, ob die derzeitigen Rahmenbedingungen genügend Anreize zur Umsetzung der Flexibilisierungsmaßnahmen liefern bzw. welche Änderungen gegebenenfalls notwendig sind.

Die Studie steht im Rahmen der BEE Plattform Systemtransformation, in der die Umsetzung der Energiewende mit ihren Wechselwirkungen betrachtet wird.

Zentrale Ergebnisse

Die Flexibilitätsoptionen reichen aus, um die Systemstabilität auch bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien zu gewährleisten

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass das Szenario des BEE grundsätzlich umsetzbar ist. Im Energieversorgungssystem können ausreichend Flexibilitäten mobilisiert werden, um die Systemstabilität sicherzustellen. Der Ausgleich zwischen Stromerzeugung und –verbrauch kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

  • Lastmanagement in Industrie, Haushalten, Gewerbe;
  •  Umwandlung von Überschussstrom in Wärme;
  •  Einspeisemanagement von Wind und Photovoltaik;
  • ...

Die Flexibilitätsoptionen reichen aus, um die Systemstabilität auch bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien zu gewährleisten

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass das Szenario des BEE grundsätzlich umsetzbar ist. Im Energieversorgungssystem können ausreichend Flexibilitäten mobilisiert werden, um die Systemstabilität sicherzustellen. Der Ausgleich zwischen Stromerzeugung und –verbrauch kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

  • Lastmanagement in Industrie, Haushalten, Gewerbe;
  •  Umwandlung von Überschussstrom in Wärme;
  •  Einspeisemanagement von Wind und Photovoltaik;
  • ...

Die Flexibilitätsoptionen reichen aus, um die Systemstabilität auch bei hohen Anteilen Erneuerbarer Energien zu gewährleisten

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass das Szenario des BEE grundsätzlich umsetzbar ist. Im Energieversorgungssystem können ausreichend Flexibilitäten mobilisiert werden, um die Systemstabilität sicherzustellen. Der Ausgleich zwischen Stromerzeugung und –verbrauch kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

  • Lastmanagement in Industrie, Haushalten, Gewerbe;
  •  Umwandlung von Überschussstrom in Wärme;
  •  Einspeisemanagement von Wind und Photovoltaik;
  • strombedarfsorientierter Einsatz von KWK- und Biomasse-Anlagen;
  • Nutzung bestehender konventioneller Kraftwerke;
  • Flexibilitätssteigerung bestehender Kraftwerke durch Retrofit;
  • neue flexible Kraftwerke;
  • Einsatz von Netzersatzanlagen;
  • Einsatz von Energiespeichern (Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Power to Gas).

Je nach Bedarf, technischer Reife und Kosteneffizienz ergeben sich unterschiedliche Zeitpunkte, zu denen die verschiedenen Flexibilisierungsmöglichkeiten zum Einsatz kommen sollten. Gleichwohl kann es in der Realität wegen mangelnden Netzausbaus bereits früher sinnvoll sein, bestimmte Ausgleichsmaßnahmen einzusetzen anstatt die Erneuerbaren Energien abzuregeln.

Ab 2020 Überschüsse Erneuerbarer Energien zu erwarten

Ohne Ausgleichsmaßnahmen kommt es im BEE-Ausbauszenario deutschlandweit ab 2020 gelegentlich zu Überschüssen an Strom aus Erneuerbaren Energien. Die Überschüsse werden bis 2030 immer häufiger, größer und treten über längere Zeiträume auf. Die Leistungsüberschüsse betragen dann bis zu 84 GW. Umgekehrt beträgt die maximale Residuallast immer noch 71 GW, verglichen mit 86 GW im Jahr 2012. Die Menge an Überschussstrom beträgt im Jahr 2030 insgesamt 34,5 TWh bzw. 7,7 Prozent der Erzeugung aus Erneuerbaren Energien. Die Gradienten der Residuallast, also die Leistungsänderung pro Stunde, steigen gegenüber heute deutlich an, so dass die Flexibilitätsoptionen schnell einsetzbar sein müssen.

Damit die notwendigen Ausgleichsoptionen rechtzeitig zur Verfügung stehen, sollte ihre Erschließung den Autoren zufolge bereits heute in die Wege geleitet werden.

Politischer Handlungsbedarf zur Erschließung der Flexibilisierungsoptionen

Das derzeitige Marktdesign und die aktuellen Strompreise am Spot- und Regelenergiemarkt liefern den Autoren zufolge keine Anreize für die Nutzung von Ausgleichstechnologien. Vor diesem Hintergrund sehen sie als kurzfristigen politischen Handlungsbedarf:

  • Verstärkte Förderung der stromgeführten Fahrweise von KWK- und Biomasseanlagen;
  • Unterstützung der Hebung von Lastmanagementpotenzialen in der Industrie;
  • Berücksichtigung von Haushalten mit Wärmepumpen beim Smart Meter Rollout;
  • Entwicklung eines Konzepts, um Investitionsanreize für die Bereitstellung zusätzlicher Erzeugungsleistung zu geben;
  • Prüfung von kontraproduktiven Regelungen im Bereich der Netzentgelte, Umlage und Regelenergie;
  • Intensive Forschungsförderung bei Speichertechnologien.

Zentrale Annahmen und Thesen

Die Untersuchung basiert auf dem aktuellen Szenario des BEE zur Entwicklung der installierten Leistung und der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2030. Demnach liefern die Erneuerbaren Energien im Jahr 2020 insgesamt 260 Terawattstunden (TWh) Strom, bzw. im Jahr 2030 sind es 449 TWh. Ihr Anteil am Strombedarf wächst damit auf rund 47 % (2020) bzw. 79 % (2030). Die insgesamt installierte elektrische Leistung auf Basis Erneuerbarer Energien beträgt im Jahr 2020 rund 136 Gigawatt (GW) und im Jahr 2030 rund 201 GW.

Für die Ermittlung der Residuallast werden die typischen ...

Die Untersuchung basiert auf dem aktuellen Szenario des BEE zur Entwicklung der installierten Leistung und der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2030. Demnach liefern die Erneuerbaren Energien im Jahr 2020 insgesamt 260 Terawattstunden (TWh) Strom, bzw. im Jahr 2030 sind es 449 TWh. Ihr Anteil am Strombedarf wächst damit auf rund 47 % (2020) bzw. 79 % (2030). Die insgesamt installierte elektrische Leistung auf Basis Erneuerbarer Energien beträgt im Jahr 2020 rund 136 Gigawatt (GW) und im Jahr 2030 rund 201 GW.

Für die Ermittlung der Residuallast werden die typischen ...

Die Untersuchung basiert auf dem aktuellen Szenario des BEE zur Entwicklung der installierten Leistung und der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2030. Demnach liefern die Erneuerbaren Energien im Jahr 2020 insgesamt 260 Terawattstunden (TWh) Strom, bzw. im Jahr 2030 sind es 449 TWh. Ihr Anteil am Strombedarf wächst damit auf rund 47 % (2020) bzw. 79 % (2030). Die insgesamt installierte elektrische Leistung auf Basis Erneuerbarer Energien beträgt im Jahr 2020 rund 136 Gigawatt (GW) und im Jahr 2030 rund 201 GW.

Für die Ermittlung der Residuallast werden die typischen Erzeugungsprofile der jeweiligen Energiearten, die im BET-Energiemarktmodell hinterlegt sind, zugrunde gelegt und zu Jahreslastgängen skaliert. Für die Verbraucherlast werden historische Lastverläufe herangezogen und die Werte entsprechend der Annahmen zur Jahreslast skaliert.

Flexibilität bedeutet laut Studie die Bereitstellung von ausreichender Leistung bzw. Reduktion der Verbrauchslast über definierte Zeitspannen, die gezielte Nutzung von Überschüssen an Strom aus Erneuerbaren Energien und schnelle Regelfähigkeit.

Die Bewertung, wann die verschiedenen Ausgleichsmöglichkeiten zum Einsatz kommen sollten, orientiert sich am Flexibilitätsbedarf, den Kosten, Potenzialen und der technischen Reife der jeweiligen Option.

Für die Studie gehen die Autoren vereinfachend von einem System ohne Netzrestriktionen aus, da der Netzausbau die kostengünstigste Maßnahme sei, um Stromangebot und -nachfrage auszugleichen und die Stromnetze in Deutschland entsprechend des Bedarfs der Erneuerbaren Energien ausgebaut würden.

Nicht untersucht wird ein möglicher Stromaustausch mit dem Ausland. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass hierdurch weitere Ausgleichseffekte zu erzielen wären und sich der Bedarf an Flexibilitäten auf nationaler Ebene senken ließe.

Methodik

Zunächst erläutern die Autoren die Veränderungen im Energieversorgungssystem, die sich aus der wachsenden Stromerzeugung fluktuierender Erneuerbarer Energien ergeben. Mittels einer Szenariomodellierung ermitteln sie dann den Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen bei der unterstellten Entwicklung der Erneuerbaren Energien bis 2030.

Hierfür werden die seitens des BEE prognostizierten Leistungen und Strommengen mit typischen Erzeugungsprofilen der jeweiligen Energiearten, die im BET-Energiemarktmodell hinterlegt sind, zu Jahreslastgängen skaliert. Die Wind- und Solareinspeisung werden dabei ...

Zunächst erläutern die Autoren die Veränderungen im Energieversorgungssystem, die sich aus der wachsenden Stromerzeugung fluktuierender Erneuerbarer Energien ergeben. Mittels einer Szenariomodellierung ermitteln sie dann den Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen bei der unterstellten Entwicklung der Erneuerbaren Energien bis 2030.

Hierfür werden die seitens des BEE prognostizierten Leistungen und Strommengen mit typischen Erzeugungsprofilen der jeweiligen Energiearten, die im BET-Energiemarktmodell hinterlegt sind, zu Jahreslastgängen skaliert. Die Wind- und Solareinspeisung werden dabei ...

Zunächst erläutern die Autoren die Veränderungen im Energieversorgungssystem, die sich aus der wachsenden Stromerzeugung fluktuierender Erneuerbarer Energien ergeben. Mittels einer Szenariomodellierung ermitteln sie dann den Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen bei der unterstellten Entwicklung der Erneuerbaren Energien bis 2030.

Hierfür werden die seitens des BEE prognostizierten Leistungen und Strommengen mit typischen Erzeugungsprofilen der jeweiligen Energiearten, die im BET-Energiemarktmodell hinterlegt sind, zu Jahreslastgängen skaliert. Die Wind- und Solareinspeisung werden dabei regionenspezifisch modelliert. Für die Bestimmung der Verbraucherlast werden historische Lastverläufe herangezogen und die Werte entsprechend der Annahmen zur Jahreslast skaliert.

Auf dieser Grundlage erfolgt die detaillierte Analyse der Residuallast, also des Anteils der Verbraucherlast, der nach Abzug der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien noch durch andere Optionen abgedeckt werden muss. Untersuchungsgegenstände sind hierbei die Leistungsmaxima, die erforderliche Bereitstellungsdauer und die Lastgradienten.

Im Anschluss daran beschreiben und bewerten die Autoren die unterschiedlichen Technologien und Maßnahmen für den Ausgleich der fluktuierenden Erneuerbaren Energien unter den Aspekten technischer Entwicklungsstand, Potenziale, Bereitstellungsdauer, Laständerungsgeschwindigkeit, Zuschaltgeschwindigkeit aus dem Stillstand, Laständerungspotenzial, Kosten und Wirtschaftlichkeit, Einordnung im Zeitverlauf und Systemrelevanz, Umsetzungshemmnisse sowie Maßnahmen zur Förderung der Technik bzw. zum Abbau von Hemmnissen.

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