Systemanalyse
Fragestellung
Durch die verstärkte Integration erneuerbarer Energien in vielen Regionen der Welt stellen sich neue Herausforderungen für die konventionellen Kraftwerke, welche bis auf weiteres auch in Zukunft benötigt werden. Die von ihnen zu deckende durchschnittliche Residuallast wird geringer, wohingegen die zu deckende Maximallast unverändert bleibt. Durch die Fluktuationen von Wind und Sonne werden die auftretenden Gradienten zum einen größer und zum anderen die Lastwechsel auch immer häufiger. Es folgt daraus eine erhöhte Anforderung an die Dynamik der eingesetzten konventionellen Kraftwerke. Bereits heute zeigt sich, dass Kraftwerkskonzepte, welche auf maximale Effizienz im Bestpunkt optimiert wurden, nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können. Durch die regionalen Fluktuationen bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wird zudem die geographische Positionierung innerhalb des Stromsystems eine wichtige Rolle spielen. Im Teilprojekt Systemanalyse werden zunächst mit Hilfe von Zeitreihenanalysen die zukünftigen Anforderungen in verschiedenen Weltregionen bestimmt (siehe Systemanalyse Teil1). Durch vielfältige Simulations- und Optimierungsrechnungen werden dann verschiedene Kraftwerkskonzepte sowie die möglichen Standorte evaluiert. Der Fokus der Simulationen liegt dabei auf Deutschland sowie Europa (siehe Systemanalyse Teil2). Untenstehende Abbildung zeigt eine mögliche Struktur des zukünftigen Systems mit verstärkter Integration von Wind und Sonne. Welche Kraftwerke dieses System wo in Zukunft ergänzen sollten wird ein wichtiges Ergebnis dieses Projektes darstellen.
Systemanalyse Teil 1: Zeitreihenanalyse
Im Projekt soll ein analytisches Kalkül entwickelt werden, um den Wert sowie die Notwendigkeit der Flexibilisierung konventioneller Kraftwerke im Stromsystem abzuschätzen. Als Grundlage hierzu dienen realistische Zeitreihen für Wind und Wasserkraft sowie Photovoltaik, die aus einer extra entwickelten, globalen Wetterdatenbank entnommen werden. Die Datenbank erlaubt es, Zeitreihen für beliebige Orte mit einer geografischen Auflösung von 0,5° S/N sowie 0,66° W/O auszugeben. Die zur Bestimmung des Werts von Flexibilisierung notwendige zeitliche Auflösung ist selbst Gegenstand der Untersuchung, da Probleme auf verschiedenen Zeitskalen auftreten könnten. Die Zeitreihenanalysen werden für verschiedene geographische Regionen der Welt durchgeführt. Es kann so ermittelt werden, ob die Anforderungen an Back-up Kraftwerke einheitlich oder regional sehr verschieden sein werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wird aber auf Europa, Deutschland und Bayern liegen, da hier der Umstieg auf erneuerbare Energien derzeit am schnellsten voranschreitet und die politischen Ziele am ambitioniertesten sind. Eine wichtige Frage ist hierbei, inwiefern die Flexibilitätsanforderungen durch den Ausbau von transnationalen Stromnetzen reduziert werden kann. Untenstehende Abbildung zeigt eine normierte Einspeisung von Windenergie für einzelne Länder sowie den durchschnittlichen Wert für die gesamt EU. Es lässt sich eine deutliche Verstetigung ausmachen, welche die Flexibilitätsanforderungen deutlich reduziert.
Systemanalyse Teil 2: Simulation und Optimierung
Untersuchungen mit Stromsystemmodellen stellen den Schwerpunkt des Teilprojekts "Systemanalyse" dar. Am Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik wird ein Kraftwerkseinsatzmodell sowie ein Systemoptimierungsmodell entwickelt und angewandt. Im Projekt wird zunächst die bestehende Einsatzplanung methodisch erweitert. Kraftwerke sollen detaillierter abgebildet werden um den Nutzen durch Erhöhung der Flexibilität im System besser messen zu können. Durch die Modellierung von Subsystemen einzelner Kraftwerke können die Auswirkungen neuartiger Konzepte auf das Gesamtsystem dargestellt und bewertet werden. Das entwickelte Modell soll eine möglichst hohe räumliche und zeitliche Auflösung ermöglichen um Flexibilität in verschiedenen Skalen bewerten zu können. In Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten werden Szenarien zu Technologieentwicklungen entwickelt und dann bewertet. Untenstehende Bilder zeigen zum Einen die derzeitige räumliche Auflösung der Einsatzplanung und zum Anderen zwei Beispiele für den derzeitigen sowie zukünftigen Einsatzplan deutscher Kraftwerke.
