In der Zukunft wird sich die Versorgungsstruktur grundlegend ändern müssen
um die erneuerbaren Energien ausbauen zu können. Der Schwerpunkt wird
daher auf flexibel einsetzbarer Regelenergie liegen, die die stark fluktuierende
Einspeisung der erneuerbaren Energien ausgleichen kann. Es wird zunehmend
erforderlich werden die anfallenden Energieüberschüsse aus erneuerbaren
Energien speichern zu können. Große Mengen elektrischer Energie
zu speichern ist bisher ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die
notwendigen Kapazitäten können noch nicht bereitgestellt werden und die Investitionen
in diesem Bereich sind unverhältnismäßig teuer. Die elektrolytische
Erzeugung von Wasserstoff stellt eine interessante Möglichkeit dar. Ebenso
bietet die Einspeisung von Strom in Batterien eine gute Alternative.
Es werden zwei Modelle untersucht: Die Verbindung von Windenergie mit der
Speicherung durch die Erzeugung von Wasserstoff (Power to Gas) und die
Kopplung von Photovoltaik mit einer Batterie für private Haushalte. Die simulierten
Spot Preise für Strom in €/Mwh für die Jahre 2015, 2020 und 2030
wurden zu den Ein- und Ausspeicherungsmengen in der Zeit (MWh) in einer
Zielfunktion in Beziehung gesetzt, um die Rentabilität der Ein- und Ausspeicherung
zu optimieren. Die Analyse dieser Funktion für das Gasspeichermodell
gibt uns Auskunft über die jährlich zu erwartende Rendite und den
daraus resultierenden Kapitalwert in den untersuchten Jahren. Durchschnittlich
liegt der Kapitalwert bei 414,23 €. Die Analyse dieser Funktion für die PVBatterie
führt bei gleicher Betrachtungsweise zu einem negativen Kapitalwert
von -23725,84 €, dabei ist der Wert des Eigenverbrauchs des privaten Haushaltes
bei dem Batteriemodell noch zu berücksichtigen.
Investitionen im Bereich Power to gas sind langfristig rentabel. Im Photovoltaik-
Batteriemodell sind Investitionen jedoch nicht rentabel, da sie stärker am
Eigenbedarf orientiert sind.
Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung
2 Einführung
3 Aktueller Stand des Strommarktes und der erneuerbaren Energien in Deutschland
3.1 Derzeitige Stände des Strommarktes nach der Liberalisierung
3.2 Perspektive des Strommarktes unter Berücksichtigung der energiepolitischen Zielsetzung
3.3 Arten der zu bewertenden erneuerbaren Energien
3.4 Stromnetz, Netzengpässe und Netzentwicklung
4 Technische Möglichkeiten der Energie-speicherung
4.1 Speichertechnologien
4.1.1 Pumpspeicherkraftwerke (PSW) (Pumped Hydro PH)
4.1.2 Druckluftspeicher
4.1.3 Natrium-Schwefel-Batterien
4.1.4 Bleibatterie
4.1.5 Redox-Flow-Batterien
4.1.6 Hybrid-Flow- Batterien
4.1.7 Kapazitive (Sensible) Wärmespeicher
4.1.8 Chemische Speicher für Wasserstoff
4.1.9 Lithium-Eisenphosphat
4.1.10 Elektrolyse
4.2 Zukünftige Speichertechnologien
4.2.1 Hybridkraftwerke
4.2.2 Moderne Druckluftspeicher
4.2.3 Moderne supraleitende magnetische Energiespeicher
5 Wirtschaftliche Perspektiven der Anwendung der Speichertechnologie
5.1 EEG - Erneuerbare Energie Gesetz
5.2 Analyse der aktuellen Strompreise
5.2.1 Börsenpreise
5.2.2 Vergütungssätze nach EEG
5.3 Szenarien zur Entwicklung des wirtschaftlichen Potenzials bei Anwendung der Speichertechnologie
6 Das Modell
6.1 Annahmen des Modells
6.2 Beschreibungen des Modelles
6.3 Parameterbestimmungen
7 Auswertung der Ergebnisse
7.1 Speicher Möglichkeiten (Modell Ergebnisse)
7.2 Gasspeicherung (Power to Gas)
7.2.1 Batterie
7.3 Bestimmung der Wirtschaftlichkeitsgrenze zur Stromspeicherung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die wirtschaftliche Rentabilität von Energiespeichersystemen, um fluktuierende Strommengen aus erneuerbaren Quellen effizienter nutzbar zu machen. Im Fokus steht dabei die Forschungsfrage, wie die Kopplung von Speichern mit Wind- oder Solarenergie gestaltet werden kann, um in Zeiten schwankender Börsenstrompreise eine ökonomisch sinnvolle Geschäftsbasis für Energieversorger zu bilden.
- Wirtschaftlichkeitsanalyse von Power-to-Gas-Systemen in Kombination mit Windenergie.
- Untersuchung von PV-Batteriespeichersystemen für private Haushalte.
- Modellierung von Stromeinspeisung und -ausspeicherung anhand historischer Spotmarkt-Preise.
- Bewertung verschiedener Speichertechnologien (chemisch, elektrisch, mechanisch) hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Eignung.
Auszug aus dem Buch
4.1.5 Redox-Flow-Batterien
Im Unterschied zu klassischen Akkumulatoren beziehungsweise Hochtemperaturbatterien wird das energiespeichernde Material eine chemische Verbindung außerhalb der Zelle gelagert. Elektroden und Elektrolyt liegen bei diesem Typ50 verflüssigt vor (Salze, die im Elektrolyten partiell gelöst sind). Dadurch ist die gespeicherte Energiemenge unabhängig von der Zellgröße und zudem jederzeit kapazitiv ausbaubar. Die Befüllung der externen Elektrolyttanke kann manuell erfolgen. Die Bezeichnung „Flow“ leitet sich davon ab, dass der Inhalt durch Pumpen in die Zellen gelangt. Dieses Konzept ist attraktiv durch den Wegfall der „modularen Grenzen“ beim Speichern von zum Beispiel fluktuierender Energie, da die Speichermenge vom Tankinhalt der Elektrolyte bestimmt wird.
Redox-Flow-Batterien bieten daneben weitere Vorteile: fehlender Memory-Effekt, keine nennenswerte Selbstentladung und Unempfindlichkeit gegenüber Tiefentladung. Die Brennstoffzelle 52 praktiziert auch dieses Prinzip der räumlichen Trennung von Energiewandlung und chemischer Speicherung.
Redox-Flow-Zellen bestehen aus zwei Kammern. Eine halbdurchlässige Membran trennt die in Lösung vorliegenden Redoxpaare. Die Wertigkeit der beteiligten Komponenten des gelösten Salzes und damit das Mischungsverhältnis von be- und entladenen Redoxspezies in den Tanks ändern sich beim Be- und Entladen. Das energiespeichernde Material fließt durch die Zelle hindurch, nimmt dabei beim Laden Energie auf und gibt beim Entladen Energie ab. Der elektrische Strom fließt über den äußeren Stromkreis, zum Ladungsausgleich diffundieren positiv geladene Ionen durch die Membran. Neben Pumpen enthalten Redox-Flow-Batterien Sensoren und Steuerungseinrichtungen und arbeiten bei Umgebungstemperatur.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Zusammenfassung: Diese Arbeit analysiert die Wirtschaftlichkeit von Energiespeicherszenarien, um fluktuierende Strommengen aus erneuerbaren Energien durch Power-to-Gas-Systeme oder private PV-Batteriespeicher zu optimieren.
2 Einführung: Der Einstieg beleuchtet die Rolle der Energiespeicherung zur Erreichung der Klimaziele und zur Stabilisierung der Stromnetze bei zunehmendem Anteil volatiler Energiequellen wie Wind und Sonne.
3 Aktueller Stand des Strommarktes und der erneuerbaren Energien in Deutschland: Es wird die Entwicklung des Strommarktes nach der Liberalisierung sowie die politische Relevanz der Klimaziele und der Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland beschrieben.
4 Technische Möglichkeiten der Energie-speicherung: Dieses Kapitel bietet einen detaillierten Überblick über existierende und zukünftige Speichertechnologien, von Pumpspeicherkraftwerken bis hin zu modernen supraleitenden magnetischen Energiespeichern.
5 Wirtschaftliche Perspektiven der Anwendung der Speichertechnologie: Hier werden die Rahmenbedingungen wie das EEG, die Analyse von Börsenstrompreisen sowie verschiedene Vergütungsmodelle für erneuerbare Energien erörtert.
6 Das Modell: Die methodische Grundlage der Arbeit wird vorgestellt, insbesondere die Annahmen und Beschreibungen der entwickelten Excel-Modelle zur Simulation von Speicherszenarien.
7 Auswertung der Ergebnisse: Die Ergebnisse der Simulationen für Gasspeicherung und Batteriespeicher werden präsentiert und die Wirtschaftlichkeitsgrenzen der betrachteten Speichertechnologien bestimmt.
Schlüsselwörter
Energiespeicherung, Erneuerbare Energien, Power to Gas, PV-Batterie, Strommarkt, Wirtschaftlichkeit, Börsenstrompreis, EEG, Pumpspeicherkraftwerke, Netzstabilität, Modellierung, Energiewende, Stromnetz, Lastmanagement, Investitionsrechnung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der ökonomischen Bewertung von Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energien, um diesen in einem liberalisierten Markt wirtschaftlich nutzbar zu machen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Zu den zentralen Themen gehören technische Speicherkonzepte (Batterien, Wasserstoff), regulatorische Aspekte wie das EEG sowie die ökonomische Modellierung von Strompreis-Spreads.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es zu ermitteln, unter welchen Bedingungen Investitionen in Speichertechnologien (wie Wind-Wasserstoff-Kopplung oder PV-Speicher) für Betreiber profitabel sind.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein quantitatives Simulationsmodell in Excel erstellt, das auf Basis historischer Spotmarkt-Daten für Strom (2007–2011) Wirtschaftlichkeitsszenarien für zukünftige Zeiträume berechnet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine Bestandsaufnahme des Strommarktes, eine technische Evaluierung von Speichertechnologien und eine detaillierte finanzmathematische Analyse zweier Anwendungsfälle.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Energiespeicherung, Power to Gas, PV-Batterie, Strommarkt, Wirtschaftlichkeit, Börsenstrompreis, EEG und Netzstabilität.
Wie schneidet die untersuchte PV-Batterie wirtschaftlich ab?
Die Simulation zeigt für die untersuchte Konfiguration im Haushalt einen negativen Kapitalwert, da die Rentabilität primär vom Eigenverbrauch und nicht von der Netzeinspeisung abhängt.
Welches Fazit zieht der Autor zur Wasserstoff-Speicherung?
Investitionen in den Bereich "Power to Gas" werden als langfristig rentabel eingestuft, sofern die technischen Wirkungsgrade weiter optimiert und die Kosten gesenkt werden.
- Arbeit zitieren
- Fares Farah (Autor:in), 2012, Wirtschaftlichkeitsszenarien von Speichermöglichkeiten als Grundlage für Geschäftsmodelle von Energieversorgern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/268914
