Eine Vollversorgung mit 100% EE wird nur durch einen strukturellen Wandel des Energiesystems vollzogen werden können. Die Herausforderung besteht darin, den Elektrizitäts-, Wärme- und Transportsektor in Zukunft gemeinsam zu betrachten und Synergien zu nutzen. Die hauptsächliche Energiebereitstellung wird dabei durch PVA und WEA erfolgen. Der in nahezu allen grundlegenden Studien zur Energietransformation prognostizierte massive Ausbau von WEA offshore wird in dieser Arbeit nicht befürwortet. Eine regenerative Energieversorgung ist eine dezentrale Energieversorgung.
Die Volatilität der Strombereitstellung erfordert ein schnelles Reagieren des Kraftwerkparks, sowohl zur Begegnung der negativen wie auch der positiven Regelleistung. Konventionelle Großkraftwerke jeder Art sind daher für die zukünftige Versorgungsstruktur ungeeignet. Es müssen geeignete Kurzzeit- wie auch Langzeitspeicher für den Regelbedarf bereitgestellt werden. Insbesondere bei der PV sind zusätzliche Systemleistungen erforderlich. Durch eine bedarfsgerechte Verteilung der EE-Anlagen in Deutschland auch im Hinblick auf WEA oder PV werden Ausgleichseffekte erzielt. Diese dienen dem Lastausgleich. Der Grad der Ausgleichseffekte ist daher abhängig vom Grad der Dezentralisierung. DSM ist ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Netzstruktur und Regelglied für den Lastausgleich.
Die skizzierten Mengengerüste stellen nur mögliche Entwicklungsergebnisse des Energiesektors dar und sollen als eine Lösungsoption von vielen gesehen werden. Der daraus resultierende Speicherbedarf ist eine entsprechende Option. Eine Erhöhung der Speicherkapazität zieht eine Reduzierung der Erzeugungsreserve nach sich und umgekehrt. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist eine Erhöhung der Kapazität der EE-Anlagen mit zeitweiser Überproduktion in Kombination mit Speichersättigung die zur Abregelung von EE-Anlagen führt gegeben. Die Möglichkeiten zu dem Ziel der 100% EE-Versorgung sind sehr flexibel. Es ist genügend technologische Vielfalt und Potenzial geboten um ausfallende Anteile bestimmter Technologien durch andere Technologien wieder abzufangen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung
1.1 Schwerpunkt der Arbeit und Fragestellung
1.2 Methodik
2 Grundlagen
2.1 Ausgewählte Speichersysteme
2.1.1 EE-Gas-Speichersysteme
2.1.2 Pumpspeicherkraftwerke
2.1.3 Druckluftspeicherkraftwerk
2.1.4 Vergleich
2.2 Ausgewählte Erneuerbare Energien
2.2.1 Solarenergie
2.2.2 Windenergie
2.2.3 Wasserkraft
2.2.4 Biomasse zur Stromerzeugung
2.2.5 Tiefe Geothermie
2.3 Lastmanagement
2.3.1 Intelligentes Stromnetz (Smart Grid)
2.3.2 Netztransformation
3 Szenarien
3.1 Stündlicher Strombedarf
3.2 Täglicher Strombedarf
3.3 Jährlicher Strombedarf und dessen Lastausgleich
4 Wirtschaftliche Aspekte
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen der Arbeit
Diese Arbeit analysiert das Potenzial der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen und leitet daraus den Ausbaubedarf für verschiedene Massenspeicher ab, um eine stabile Stromversorgung Deutschlands bei 100% regenerativer Erzeugung zu gewährleisten.
- Analyse der Eignung von Kurz- und Langzeitspeichern zur Kompensation volatiler Stromerzeugung.
- Untersuchung der Auswirkungen auf Netzinfrastruktur, Transport und Stromgestehungskosten.
- Bewertung der Integrierbarkeit von EE-Quellen in den bestehenden Netzverbund.
- Identifikation von Strategien zur Laststeuerung (Smart Grid) und dezentralen Energieversorgung.
- Wirtschaftliche Betrachtung und Vergleich verschiedener Speichertechnologien.
Auszug aus dem Buch
2.1.1 EE-Gas-Speichersysteme
Als EE-Gas wird Methan oder Wasserstoff bezeichnet, welches durch Elektrolyse unter Verwendung von Strom aus EE hergestellt wird. Die Rückverstromung erfolgt durch Gaskraftanlagen, Kraft-Wärmekopplungsanlagen oder Brennstoffzellen.
Insbesondere EE-Methan, aber auch EE-Wasserstoffspeichersysteme sind chemische Langzeitspeicher mit sehr guten Transportoptionen. Die modulare Anlageform lässt Insellösungen zu und ist dadurch im dezentralen Energiesektor hervorragend einsetzbar.. Power-to-Gas steht für ein Konzept, bei dem überschüssiger Strom dazu verwendet wird, per Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren und bei Bedarf in einem zweiten Schritt unter Verwendung von Kohlendioxid (CO2) in synthetisches Methan umzuwandeln und dieses im vorhandenen Gasnetz zu speichern. Als Speicher für dieses Methan und bis zu einem gewissen Volumenanteil auch des elementaren Wasserstoffs könnte die bestehende Erdgasinfrastruktur, also das Gasnetz mit den angeschlossenen Untertagespeichern, verwendet werden. /5/. Es ist einsetzbar als Strom-, Wärme und Kraftstofflieferant. Energie aus Wind-. Solar- oder anderen Anlagen der regenerativen Energieproduktion wird hierbei mittels Elektrolyse in Wasserstoff und in einem zweiten Schritt zu Methan gewandelt (Sebatier-Reaktion). oder anderweitig genutzt. Als Speicherraum eignen sich Porenspeicher und Kavernen /6/. Der Transport kann u.a. durch das Erdgasnetz, das bereits über 400 000 Kilometer Erdgasleitung verfügt erfolgen. Die 47 unterirdischen Gasspeicher in Deutschland haben eine Kapazität von 217 TWh /7/. Ein Zuwachs von weiteren 80 TWh /8/ sind geplant bzw. in Bau. Die Gesamtkapazität entspricht dann einer Komplettversorgung von 2 Monaten für Deutschland /7/. Andere Quellen geben eine bestehende Planungsfestlegung über weitere 163 TWh an /9/. Erdgas besteht zu 77 - 98% aus Methan. Um die vorhandenen technischen Anlagen nicht zu gefährden wird derzeit kontrovers über den möglichen Anteil von Wasserstoff am EE-Gas diskutiert. Zum einen senkt ein hoher Anteil an Wasserstoff die Erzeugungskosten und erhöht den Wirkungsgrad. Der Energieverlust liegt bei der Elektrolyse bei rund 20%, wird methanisiert sind es weitere 20% (siehe auch Tabelle 2). Andererseits wirkt Wasserstoff korrosiv, besitzt einen niedrigeren Brennwert und einen höheren Zündbereich. Der Hauptanteil der bestehenden Erdgasrohre, bzw. die moderne Erdgasrohrtechnik wird von der korrosiven Eigenschaft des Wasserstoffes nicht belastet. Bis in den 80er Jahren wurden einige Städte mit sogenanntem Stadtgas versorgt. Der Wasserstoffanteil betrug dabei rund 50%.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielsetzung: Festlegung der Arbeitsschwerpunkte, der Forschungsfragen zur Speicherpotenzialanalyse und der methodischen Vorgehensweise auf Basis existierender Studien.
2 Grundlagen: Detaillierte Darstellung der Funktionsweise und Potenziale verschiedener Speichertechnologien (EE-Gas, Pumpspeicher, Druckluft) sowie Erneuerbarer Energien und Lastmanagement-Strategien.
3 Szenarien: Analyse der stündlichen, täglichen und jährlichen Lastgänge sowie Modellierung des Energiebedarfs und -ausgleichs für eine zukünftige Vollversorgung.
4 Wirtschaftliche Aspekte: Analyse der Investitions- und Betriebskosten verschiedener Speichertechnologien sowie ökonomische Bewertung des Systemwandels hin zu regenerativen Energien.
5 Zusammenfassung: Synthese der Ergebnisse zur Notwendigkeit des strukturellen Energiewandels, der technologischen Speicheroptionen und der wirtschaftlichen Umsetzbarkeit.
Schlüsselwörter
Erneuerbare Energien, Energiespeicher, Pumpspeicherkraftwerke, Power-to-Gas, Stromnetz, Lastmanagement, Smart Grid, Energietransformation, Netzstruktur, EE-Gas, Methanisierung, Wasserstoffspeicherung, Volatilität, Residuallast, Stromgestehungskosten.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie eine vollständige Stromversorgung Deutschlands aus 100% erneuerbaren Energiequellen technisch und wirtschaftlich realisiert werden kann, insbesondere durch den Einsatz von Massenspeichern zur Bewältigung der volatilen Energieerzeugung.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die zentralen Felder umfassen die Speichertechnologien (Pumpspeicher, EE-Gas, Druckluft), die Erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser, Biomasse, Geothermie), das Lastmanagement und notwendige Netztransformationen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist eine Potenzialanalyse der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, um daraus beispielhafte Einsatzmöglichkeiten und den spezifischen Ausbaubedarf für Massenspeicher abzuleiten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es erfolgt eine Bestandsaufnahme vorhandener Daten aus den Jahren 2009 bis 2012, kombiniert mit einer Literaturrecherche und der Aufbereitung stundengenauer Jahreszeitreihen für Szenarienabschätzungen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technologischen Grundlagen der Speicher und EE-Anlagen, die Szenarienentwicklung für den Strombedarf sowie eine detaillierte wirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse der Energiewende.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Speicherkapazität, Residuallast, Dezentralisierung, Vollversorgung und Netzstabilität charakterisiert.
Warum werden Pumpspeicherkraftwerke als besonders relevant hervorgehoben?
Sie besitzen die höchsten Wirkungsgrade und eine hohe Schwarzstartfähigkeit, was sie zu einer kosteneffizienten Lösung für Kurzzeit- und Regelbedarfe macht.
Welche Rolle spielt "Power-to-Gas" in dieser Untersuchung?
EE-Gas wird als unverzichtbarer Langzeitspeicher bewertet, da es die bestehende Gasinfrastruktur für saisonale Speicherung nutzen kann, auch wenn die Umwandlungsprozesse mit höheren Verlusten behaftet sind.
- Citation du texte
- Birgit Knoblauch (Auteur), 2013, Massenspeicher und Netzstruktur, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/232633
