Balance

BalanceE

Koordinator:

Markus Millinger



BalanceE Endbericht

Kurzbeschreibung:

Das deutsche Energiesystem wird durch die Energiewende künftig von fluktuierender, dargebotsabhängiger erneuerbarer Stromerzeugung – vor allem aus Solar- und Windenergie – geprägt sein. Um Stromnachfrage und Dargebot jederzeit auszugleichen, werden neue Ausgleichsoptionen zunehmend wichtig. Flexible Bioenergie und Stromspeicher sind zwei maßgebliche Ausgleichsoptionen, welche die Systemintegration der fluktuierenden Erneuerbaren ermöglichen. Sie können sowohl miteinander konkurrieren als auch Synergieeffekte aufweisen und haben unterschiedliche technische Ausprägungen, Umwelteffekte und Kosten, die mit in Betracht gezogen werden müssen.

Im Projekt BalanceE hat ein Team von Wissenschaftlern am UFZ, DBFZ und bei Fraunhofer UMSICHT szenarienbasiert die Fragestellung untersucht, welche Rolle bedarfsgerechte Bioenergieerzeugung und Speichertechnologien bei der Systemintegration fluktuierender erneuerbarer Energien spielen können und müssen. Die folgenden Fragen fokussieren die Zielsetzungen des Projektes.

         Welche Rolle können Bioenergie und Stromspeichertechnologie bei der Systemintegration fluktuierender erneuerbarer Energien spielen?

         Wie entwickeln sich die technischen Möglichkeiten im Zeitverlauf und unter unterschiedlichen regionalen Gegebenheiten? Wann und wo ergeben sich Synergien, wo sind Konkurrenzen zu erwarten?

         Wie passen die technologischen Entwicklungen in den Fahrplan der Energiewende?

         Welche Rahmenbedingungen und Politikinstrumente müssen zusammenspielen, um eine effiziente Implementation der relevanten Technologien zu unterstützen?

Für die Analyse wurde der Schwerpunkt auf die Beiträge von drei verschiedenen Typen an flexiblen Bioenergieanlagen (Biomethan-BHKW, Biogasanlagen und Holzheizkraftwerke) sowie zwei verschiedenen Typen an Stromspeichern (Kurz- und Mittelfristspeicher) zum Energieausgleich gelegt. Zwei Modellregionen wurden untersucht – eine windenergiegeprägte Region in Anlehnung an die Regelzone der 50Hertz Transmission GmbH und eine solarenergiegeprägte Region in Anlehnung an die TransnetBW-Regelzone. Im- und Exporte von Strom wurden im Modell ausgeschlossen. In der Realität weichen die Regionen von den gesamtdeutschen Zielen bei den EE-Anteilen ab, wobei der gesamtdeutsche EE-Anteil zurzeit in der 50Hertz-Regelzone übererfüllt und in der TransnetBW-Regelzone nicht erreicht wird. Daher wurden die Erzeugungskapazitäten von Wind- und Solarenergie für die Vergleichbarkeit so normiert, dass ein 50 %-iger EE-Anteil im Stützjahr 2030 erreicht wird, bzw. 65 % in 2040 und 80 % in 2050.

Der EE-Ausbau für die drei Stützjahre erfolgte über zwei Szenarien: (i) Die vorhandenen Anteile von Wind- und Solarenergieanlagenkapazitäten wurden mit realen Einspeisedaten gekoppelt und proportional zu den in den beiden Übertragungsnetzen gemäß Netzentwicklungsplan 2012 prognostizierten Anteilen von Wind- und Solarenergie bis zur Erreichung der EE-Ziele in den Stützjahren skaliert („CLASSIC“). (ii) Die Zusammensetzung von Wind- und Solarenergie wurde endogen bestimmt und es wurden systemfreundliche Anlagenauslegungen von Wind- und Solarenergie berücksichtigt, um bereits bei der Erzeugung von dargebotsabhängigem EE-Strom den Umfang der benötigten Ausgleichsoptionen zu reduzieren. Letzteres erfolgte mit dem am UFZ entwickelten Modell VAREO („VAriable Renewable Energy Optimization„). Insgesamt wurden zwölf Szenarien entworfen und berechnet. Die für die zwölf Szenarien ermittelten Residuallastprofile wurden als Eingangsdaten an die weiteren Arbeitspakete übergeben.

Die Portfolien der Stromspeicher wurden anhand der Residuallastprofile und mittels eines Gewichtungsverfahrens für jedes Szenario bestimmt. Der Anlagenpark für die zur Verfügung stehende Bioenergie wurde dagegen unabhängig von den Residuallastprofilen auf Basis der Ausbauszenarien des Netzentwicklungsplans bzw. der Leistudie 2011 abgeleitet und zusammen mit Annahmen über die zu erwartende Flexibilisierung verschiedener Anlagentypen parametrisiert. Die installierten Leistungen an fossilen Mittel- und Spitzenlastkraftwerken wurden in Abhängigkeit von der maximalen positiven Residuallast bestimmt.

Insgesamt ergibt sich ein Erzeuger- und Speicherpark, dessen Betrieb im bei Fraunhofer UMSICHT entwickelten GOMES-Modell optimiert wurde. Als Zielfunktion wurde die Minimierung der Treibhausgasemissionen gewählt. Neben den zwölf Hauptszenarien wurden weitere Szenarienrechnungen durchgeführt, mit denen die Bedeutung sowie die Synergie- und Konkurrenzeffekte der flexiblen Bioenergieanlagen und Stromspeicher näher untersucht wurden.

Systemfreundlich ausgelegte Solar- und Windkraftanlagen führen zu einer gleichmäßigeren Erzeugung und einem gleichmäßigeren Residuallastgang, was den Bedarf von Flexibilitätsoptionen wie Stromspeichern gering hält. In der Windregion ist dies am deutlichsten zu sehen, wo in 2050 mit einer deutlich geringeren Erzeugungskapazität die gleichen EE-Anteile erreicht werden können. Im Ergebnis gibt es also sowohl weniger EE-Kapazitäten als auch einen geringeren Bedarf an Speicherkapazitäten.

In der sonnengeprägten Region ist eine gewisse Abhängigkeit zwischen einer systemfreundlichen Auslegung der dargebotsabhängigen erneuerbaren Erzeugung auf Basis von Wind- und Solarenergie und dem möglichen Beitrag von Kurz- und Mittelfristspeichern vorhanden. Um hohe Anteile dargebotsabhängiger erneuerbaren Erzeugung zu erreichen, ist die Einspeicherung von Solarenergie-Mittagsspitzen hier besonders wichtig. Aus diesem Grund erfordern hohe EE-Anteile in solargeprägten Netzen einen Verbund mit Speichern.

Kurz- und Mittelfristspeicher werden in sonnengeprägten Regionen wichtig, während Biomasse eine Alternative zu Langfristspeicheroptionen bietet, die sowohl saisonal bedingt als auch vor allem in windgeprägten Regionen notwendig werden könnte. Dies gilt insbesondere dann, wenn andere Lösungen, wie z. B. Netzerweiterung und weitere Ausgleichsoptionen wie Demand-Side-Management, Langzeitspeicher und Sektorkopplung nicht verfügbar sein sollten.

Anwendungsmöglichkeiten der erzielten Ergebnisse sind zum einen unmittelbar in der Praxis zu sehen, indem verstärkt auf eine systemfreundliche Auslegung der Erzeugeranlagen und auf den Einsatz möglichst passgenauer Flexibilitätsoptionen geachtet wird. Eine Orientierung dafür geben die hier vorliegenden Ergebnisse bereits. Zum anderen sollten ergänzende wissenschaftliche Untersuchungen dazu beitragen, die getroffenen Aussagen weiter zu differenzieren und zu präzisieren.


Status:

BMWi-Logo

Projektlaufzeit:

Feb 2015 - Feb 2017


Projektpartner: