Klimaneutrales Stromsystem 2035

KLIMANEUTRALES STROMSYSTEM 2035 Klimaneutrales Stromsystem 2035 / Althoff, Elias (Rights reserved) ( -

Modellgestützte Bedarfs- und Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiespeichern zur Integration erneuerbarer Energien in Deutschland

Der Übergang zu einem klimafreundlichen Energiesystem ist eines der zentralen Ziele deutscher und europäischer Energiepolitik. Der Ausbau erneuerbarer Energien ist eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen dieses Ziels, wobei der Stromsektor aufgrund seiner großen Potenziale eine tragende Rolle spielt. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen fluktuierender Stromerzeugung untersucht sowie der Bedarf und die Wirtschaftlichkeit von Energiespeicheichern analysiert

Auf dem Weg zum (de-)zentralen Energiesystem? Ein interdisziplinärer Beitrag zu wesentlichen Debatten

Mit Blick auf die energie- und klimapolitischen Ziele umfasst die deutsche Energiewende mehr als den Ausstieg aus der Atomtechnik, die Steigerung der Energieeffizienz und den Ausbau der erneuerbaren Energien bei der Stromproduktion. Sie schließt neben einer Stromwende auch eine Wärme- und Verkehrswende mit ein. Allen Umbrüchen in den verschiedenen Sektoren ist gemeinsam, dass sich Fragen von Zentralität und Dezentralität neu stellen. Dieser Beitrag nähert sich unterschiedlichen Dimensionen von (De-)Zentralität aus verschiedenen fachlichen Perspektiven an. Aus technisch-naturwissenschaftlicher Sicht gibt es unterschiedliche (de-)zentrale Strategien der Systemintegration fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugungsanlagen. Aus ökonomischer Perspektive dürften stärker dezentral ausgerichtete Markt- und Systemstrukturen einerseits zu Effizienzeinbußen führen; andererseits könnten sie entsprechenden Konsumentenpräferenzen sowie lokalen Kosten- und Nutzeneffekten möglicherweise besser gerecht werden. Aus raumwissenschaftlicher Sicht führt der tendenziell höhere Flächenbedarf dezentraler erneuerbarer Energien zu neuen Diskursen, Governanceformen und regionalen Handlungsräumen. Aus agrarökonomischer Perspektive stellen sich Fragen der (De-)Zentralität vor allem in Hinblick auf die Implikationen unterschiedlicher Produktions- und Organisationsstrukturen der biomassebasierten Energie. Aus sozialwissenschaftlicher Perspektive stehen Fragen der Akzeptanz der Energiewende im Mittelpunkt der (De-)Zentralitätsdebatte, insbesondere erfolgversprechende Partizipationsmöglichkeiten sowie eine faire Nutzen- und Lastenverteilung. Mit der hier vorgenommenen multidisziplinären Betrachtung entsteht ein heterogenes Bild. Deutlich wird, dass eine postfossile Energiezukunft kontingent ist und die Beantwortung von Fragen zum Spannungsverhältnis von Zentralität und Dezentralität unumgänglich ist.Considering its energy and climate policy goals, the German energy transition means more than phasing out nuclear technology, increasing energy efficiency, and expanding renewable energy’s role for electricity generation. It encompasses heating and transportation in addition to electricity. All of the disruptions in the various sectors have one thing in common: questions of centralization and decentralization are being re-phrased. This article approaches various aspects of (de)centralization from the perspectives of different disciplines. From the technical and scientific viewpoint, there are different strategies for integrating fluctuating renewable electricity into the energy system. From the viewpoint of economics, market and system structures that tend toward decentralization on the one hand lead to efficiency losses. On the other hand, they may be better at satisfying specific consumer preferences and local cost and benefit effects. The field of spatial analysis says the area required by decentralized renewable energy tends to be higher, which will lead to new discourses, forms of governance, and regional spheres of activity. The agricultural economics perspective raises issues of (de)centralization that primarily focus on the implications of different modes of production and organization of biomass-based energy supply. The social sciences perspective puts issues related to the acceptance of the energy transition - including promising opportunities for participation and the fair distribution of benefits and burdens - at the center of the (de)centralization debate. The interdisciplinary approach taken here creates a heterogeneous picture. It points out that the post-fossil fuel era is contingent and cannot detach itself from the charged relationship between centralization and decentralization

Regenerative Energieträger zur Sicherung der Grundlast in der Stromversorgung. Endbericht zum Monitoring

Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung Deutschlands steigt in den letzten Jahren mit beeindruckender Geschwindigkeit: er beträgt bereits über 20 %, davon etwa die Hälfte aus fluktuierenden Quellen – vor allem Windkraft und Photovoltaik. Langfristig (bis 2050) wird die Zielsetzung einer nahezu Vollversorgung mit erneuerbaren Energien verfolgt. Damit wird deutlich, dass das System der Stromversorgung in den nächsten Jahrzehnten einem Umbruch historischen Ausmaßes unterliegen wird. Der TAB-Bericht geht der Frage nach, wie unter diesen Bedingungen die Grundlast in der Stromversorgung weiterhin gesichert werden kann. Diese Frage kann nur in einer Systemperspektive angegangen werden, die alle Ebenen umfasst: von der Erzeugung über den Transport und die Verteilung bis hin zum Verbrauch von Elektrizität. Daher erweitert sich die Fragestellung dahingehend, wie eine gesicherte Versorgung insgesamt organisiert werden kann. Es zeigt sich, dass das Stromsystem wesentlich flexibler als bisher auf unterschiedliche Einspeise- und Nachfragesituationen reagieren können muss. Optionen zur Steigerung der Flexibilität existieren in vielen Bereichen: > Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Netze > Flexibilisierung des konventionellen Kraftwerksparks und dessen Betriebsweise > stärkere Orientierung der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien an der Nachfrage > Lastmanagement, sowie nicht zuletzt Errichtung von zusätzlichen Speichern In allen diesen Handlungsfeldern werden im TAB-Bericht Handlungsoptionen identifiziert, wie die öffentliche Hand bzw. die energiepolitischen Akteure in Exekutive und Legislative durch Gestaltung von Rahmenbedingungen dazu beitragen können, dass der anstehende Umbau der Stromversorgung gelingen kann. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 5 I. EINLEITUNG 19 II. ELEKTRIZITÄTSVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 23 1. Ausbauziele und Szenarien für RES-E 25 2. Grundlast und gesicherte Versorgung 29 III. STROMNETZE 39 1. Erweiterung der Netzkapazität 39 1.1 Optimierung des Netzbetriebs 39 1.2 Massnahmen zur Netzverstärkung 40 1.3 Netzausbau 42 2. Netzausbaubedarf und Kosten 44 2.1 Deutschland 45 2.2 Europäische Perspektive 54 2.3 Transeuropäisches Supergrid 56 IV. SPEICHER UND WEITERE FLEXIBILISIERUNGSOPTIONEN 63 1. Speicher 64 1.1 Speicherbedarf 66 1.2 Speicherkosten 68 1.3 Speichertechnologien 70 2. Weitere Flexibilisierungsoptionen 83 2.1 Biogas 83 2.2 Wärme als Stromsenke – Verbindung zum Wärmesektor 86 2.3 Lastmanagement 88 2.4 Ausbau des Stromaustausches mit Norwegen 92 2.5 Regenerative Kombi-/Hybridkraftwerke 94 3. Speicher und weitere Flexibilisierungsoptionen: Zwischenfazit 97 V. SZENARIENANALYSE 99 1. Vorgehensweise 99 2. Bestimmung der Einspeiseprofile im Referenzjahr 100 3. Szenariodarstellung 101 4. Situation des Stromversorgungsystems ohne Flexibilisierungsoptionen 103 5. Begrenzungen und Flexibilisierungsoptionen 106 5.1 Systemdienstleistungen 107 5.2 Bestehende Flexibilisierungsoptionen 108 5.3 Geplanter Ausbau der bestehenden Flexibiliersungsoptionen bis 2020 109 6. Parametrisierung der Flexibilisierungsoptionen 111 6.1 Beschreibung des Modellierungsansatzes 112 6.2 Ergebnisse zur Glättung der Residuallast 113 6.3 Ergebnisse zur Glättung der RES-E-Einspeisung 115 6.4 Netzengpässe als weitere Begrenzung 118 7. Kernergebnisse der Analyse 118 VI. INTERNATIONALE ERFAHRUNGEN 121 1. Dänemark 122 2. Iberische Halbinsel 124 3. Vergleich mit Deutschland 125 VII. HANDLUNGSFELDER UND HANDLUNGSOPTIONEN 129 1. Netzengpässe und Netzausbau 129 2. Konventionelle Kraftwerke 131 3. Flexibilisierungsoptionen 133 4. Regelmarkt 137 5. Strommarktdesign 138 6. Europäische Kooperation 138 VIII. LITERATUR 139 1. In Auftrag gegebene Gutachten 139 2. Weitere Literatur 139 IX. ANHANG 153 1. Tabellenverzeichnis 153 2. Abbildungsverzeichnis 15

Konsequenzen technologischer Entwicklungen von Ver- und Entsorgungssystemen

Aufbauend auf den zuvor dargelegten wirtschaftstheoretischen Grundlagen der Regionalentwicklung befasst sich der Beitrag mit den aktuellen technischen und politischen Entwicklungen von stadttechnischen Ver- und Entsorgungssystemen und ihren Konsequenzen für die Regionalentwicklung. Er fokussiert sich dabei auf die Energieversorgung als dem wichtigsten Treiber des technischen Fortschritts und die damit verbundenen gesellschaftlichen Veränderungen. Dabei wird festgestellt, dass die stadttechnischen Infrastrukturen, insbesondere die Energieversorgung, insgesamt zunehmend dezentraler organisiert sind. Lokal bzw. regional verankerte Akteure – vor allem kommunale Stadtwerke – sind gegenüber national und international agierenden Unternehmen, die auf der Grundlage zentraler Großtechnologien arbeiten, im Vorteil, was die Umstellung auf eine stärker dezentralisierte Energieversorgung betrifft. Durch ihre lokale bzw. regionale Verankerung kann diese wesentliche Impulse für die Regionalentwicklung geben. Rechtlich-institutionelle Rahmenbedingungen müssen noch verbessert werden, damit sich die Synergien zwischen einem zukunftsfähigen Betrieb stadttechnischer Infrastrukturen und der Regionalentwicklung entfalten können. Unter Regionalentwicklung wird dabei eine vitale und robuste wirtschaftliche Entwicklung der Region verstanden, die – überwiegend aus eigenen Kräften – dazu in der Lage ist, einen zukunftsfähigen Strukturwandel zu realisieren, der nachhaltige Beschäftigung und Einkommen induziert, die Region attraktiv für Menschen macht, die kreativen Potenziale hebt und die natürlichen, komparativen Produktionsvorteile nutzt. Der Einstieg in die Transformation stadttechnischer Infrastrukturen bietet die Chance, eine solche Entwicklung anzustoßen bzw. sie zu verstärken.This paper builds on the previously explained basics of economic theory for regional development to discuss current technical and political developments in municipal supply and disposal systems and their consequences for regional development. The focus is on supply of energy as the most important driver of technical progress and the associated changes in the community. This leads to a conclusion that the technical municipal infrastructure is increasingly decentralised, especially in respect of energy supply. With regard to a change to more decentralised energy supplies, players with only a local or regional presence, especially municipal energy suppliers, have an advantage over national and international companies based on major and centralised technical facilities. The local or regional base is more conducive to making significant contributions to regional development. The legal framework conditions for institutions must be improved to allow the synergies between sustainable municipal technical infrastructures and regional development to reach full potential. In this respect, regional development stands for energetic and robust regional economic development based predominantly on local talent and, furthermore, with the ability to realise sustainable structural change to initiate sustainable employment and income, render the region attractive to people, enhance the creative potential and exploit the natural comparative advantages of the product. Engagement in the technical transformation of municipal infrastructures offers the opportunity of initiating and enhancing such developments

Vollständig auf erneuerbaren Energien basierende Stromversorgung Deutschlands im Jahr 2050 auf Basis in Europa großtechnisch leicht erschließbarer Potentiale

VOLLSTÄNDIG AUF ERNEUERBAREN ENERGIEN BASIERENDE STROMVERSORGUNG DEUTSCHLANDS IM JAHR 2050 AUF BASIS IN EUROPA GROSSTECHNISCH LEICHT ERSCHLIESSBARER POTENTIALE Vollständig auf erneuerbaren Energien basierende Stromversorgung Deutschlands im Jahr 2050 auf Basis in Europa großtechnisch leicht erschließbarer Potentiale (Rights reserved) ( -

Energiewirtschaftliche Auswirkungen der Power-to-Heat-Technologie in der Fernwärmeversorgung bei Vermarktung am Day-ahead Spotmarkt und am Regelleistungsmarkt

Durch den Ausbau insbesondere wetterabhängiger erneuerbarer Energien steigen zukünftig die Anforderungen an die Bereitstellung von Flexibilität im Stromsektor. Wärmespeicher und Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeversorgung können einen großen Beitrag zur Bereitstellung von Flexibilität an der Schnittstelle von Strom- und Wärmesektor liefern. Die vorliegende Arbeit untersucht vor dem Hintergrund von unterschiedlichen regulatorischen Rahmenbedingungen, an welchen Märkten der Einsatz der Power-to-Heat-Anlagen aus Systemsicht den größten Mehrwert zur Integration von erneuerbaren Energien liefern kann. Mithilfe des Strommarktmodells MICOES-Europe wird der stündliche Kraftwerkseinsatz aller europäischen Kraftwerke vor dem Hintergrund des Ausbaus der erneuerbaren Energien untersucht. Ziel der gemischt-ganzzahligen Optimierung, die insbesondere techno-ökonomische Charakteristika thermischer Kraftwerke berücksichtigt, ist die kostenminimale Deckung des Strombedarfs im Großhandelsmarkt bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungsvorhaltung für Regelenergie. In Deutschland werden die größten Fernwärmenetze mit ihren zugehörigen Erzeugungsanlagen (Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Heizwerke, Wärmespeicher) abgebildet und stündlich die optimale Deckung des Wärmebedarfs berechnet. In einem Szenario für das Jahr 2025 wird die Verfügbarkeit von 1.000 MW an Elektrokesseln in großen deutschen Fernwärmenetzen angenommen. Hierbei wird deren Einsatz nur am Spotmarkt oder nur für negative Sekundärregelleistung dem Fall gegenübergestellt, dass die Anlagen auf beiden Märkten agieren und sich situationsabhängig zwischen ihnen entscheiden können. Es werden dabei die Fälle verglichen, bei denen Elektrokessel entweder Abgaben auf den Stromverbrauch zahlen oder keine zusätzlichen Abgaben tragen müssen. Der Einsatz der Elektrokessel in Verbindung mit Wärmespeichern in der Fernwärmeversorgung kann den Einsatz der KWK-Anlagen so flexibilisieren, dass sich deren Stromerzeugung stärker an die Einspeisesituation der erneuerbaren Energien anpassen kann. Auf diese Weise kann in allen betrachteten Szenarien die marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien verringert werden. Dabei sinken die CO2-Emissionen der Strom- und Wärmeversorgung ebenfalls in allen Szenarien. Die größten Reduktionen sowohl bei CO2-Emissionen als auch bei den variablen Kosten der Strom- und Wärmeerzeugung werden dabei in den Szenarien mit Teilnahme der Elektrokessel am Regelleistungsmarkt erreicht. Stellen Elektrokessel negative Sekundärregelleistung bereit, kann hierdurch die Must-run-Erzeugung thermischer Kraftwerke in Stunden mit hoher Einspeisung von erneuerbaren Energien deutlich gesenkt werden. Hierdurch ergibt sich ein großer Hebel für die Integration von Strom aus erneuerbaren Energien.The requirements for the provision of flexibility in the power sector will increase in the future due to the expansion of the usage of weather-dependent renewable energy sources. Heat storage and power-to-heat-plants (electric boilers) in the district heating supply can provide flexibility at the interface of the power and heat sector. At the moment the use of power-to-heat plants is only cost-effective on the control power market due to the current regulation. High charges for the direct use of electricity impede a use on the spot market. The present work examines from a system perspective on which market the use of electric boilers can provide the largest benefits for the integration of renewable energies considering different regu-latory frameworks. The year 2025 is considered where Germany aims to reach a share of 40 to 45 % renewable energy generation in the gross power consumption. For this purpose the hourly power plant dispatch of all European power plants is examined using the electricity market model MICOES-Europe. The model describes the wholesale electricity market and the control power market (secondary and tertiary reserve). The aim of the mixed-integer optimization is the calculation of the cost-minimal coverage of the electricity demand in the wholesale market while at the same time fulfilling the provision of control power. The optimization takes into account in particular the techno-economic characteristics of thermal power plants. In Germany, the largest district heating grids with their associated generation plants (combined heat and power plants, fossil-fuel and electric boilers, heat storage) are modelled and the optimal coverage of the heat demand is calculated for every hour. With the assumed payment of high electricity charges the use of electric boilers on the spot market is no business case in 2025. The situation changes in the scenario without electricity charges. Here, electric boilers reach between 1,050 and 2,140 full load hours. If the electric boilers provide negative secondary control power, the must-run generation of thermal power plants in hours with a high feed-in of renewable energies can be reduced significantly. This results in a large lever for the integration of renewable energies. Electric boilers reach up to 1,800 full load hours by providing control energy, if they provide control power all year round and without payment of electricity charges. The use of the electric boilers in combination with heat storages in the district heating system can make the dispatch of combined heat and power plants more flexible, so that their electricity generation can be better adapted to the feed-in situation of renewable energies. In this way, the market-dependent curtailment of renewable energies can be reduced in all scenarios. The CO2-emissions of the electricity and heat supply can be reduced by this technology in Germany. Furthermore, CO2-emissions in other European countries can be reduced as well due to effects of the power trade. The highest reductions in both CO2-emissions and variable costs of electricity and heat generation are achieved in the scenarios with electric boilers participating in the control power market

Analyse der Integration erneuerbarer Energien in Deutschland und Europa unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit und dezentraler Flexibilitäten

Das Vorhaben greift den Forschungsbedarf auf, der aus dem vorangehenden Vorhaben INTEEVER (FKZ 03ET4020) hervorgegangen ist. Dieser betrifft zum einen den Grad der Genauigkeit und der Differenzierung der modelltechnischen Abbildung von Verbrauchern und Erzeugern im deutschen und europäischen Stromsystem und damit insbesondere die Modelleingangsdaten, die einen relevanten Einfluss auf die Ergebnisse haben. Zum anderen wird eine enge Kopplung von Energiesystemmodellierung und Leistungsflusssimulation im europäischen Verbundnetz angestrebt