What Are the Long Term Needs of the Transmission System in Switzerland? – An Integrated Scien=fic Assessment Reza S Abhari Laboratory for Energy Conversion Executive Summary • Systemumfassende bottom-to-top Analysen des schweizerischen Übertragungsnetzes werden mit LEC’s Simulationstool EnerPol durchgeführt. • Die Simulation nimmt effiziente Märkte an, politische und soziale Unsicherheiten werden nicht berücksichtigt. • Die energiepolitischen Szenarien “Batterie für Europa” und “Insel in Europa” werden für die Jahre 2035 und 2050 ausgewertet. • Steigerung der Energieeffizienz wird als wichtiger Faktor zur Reduktion der schweizerischen Strompreise identifiziert. • “Batterie für Europa” Szenario ermöglicht erhöhten jährlichen Stromhandelsüberschuss, was 15 – 23% niedrigere Strompreise in der Schweiz ermöglicht. • Engpässe des Höchstspannungsnetzes in 2035 erreichen kritische Zustände in 2050 für beide politische Szenarien. 1 Motivation • Der Schweizer Nationalrat hat 2014 den Atomausstieg gesetzlich beschlossen • Die Schweizer Energiestrategie 2050 beabsichtigt, den Atomausstieg durch erhöhte Stromproduktion aus Wasserkraft und Erneuerbaren sowie durch gesteigerte Effizienz zu kompensieren • Auf Grund der Komplexität und Veflechtung der Problemstellung ist zur Entscheidungsfindung ein ganzheitlicher Ansatz notwendig • Einbettung des Schweizer Netzes in Europa erfordert Analyse von Energieszenarien im europäischen Kontext Ø “Electrons don’t have passports!” 2 Zwei Strategien, um den Atomausstieg bis 2050 zu erreichen Um den Atomausstieg bis 2050 zu realisieren, kann die Schweiz zwei grundsätzlichen Strategien folgen: A. ”Batterie für Europa" – Ausbau der Pumpspeicherkapazitäten und Stärkung des grenznahen Netzes, um erneuerbaren Strom der Nachbarländer aufzunehmen. Installierte Kapazität 20 GW B. ”Insel in Europa" – Gaskraftwerke in der Schweiz errichten, um Atomstrom zu ersetzen. Installierte Kapazität 20 GW 3 EnerPol – Ganzheitlicher Ansatz zur Modellierung von Energiesystemen In Entwicklung seit 2009, ermöglicht EnerPol systemweite bottom-to-top Analysen von: • Strommix, Aktuelle Datenbank • Übertragungsnetzen, Zukünftige Datenbank • Marktentwicklung, und • Einfluss von politischen Massnahmen Grossteil von Europa geographisch abgedeckt • Mehr als 200 anthropologische, geographische, klimatische, finanzielle und regulatorische Variablen • Stündliche Simulationen mit 30m x 30m Auflösung auf Europäischer Ebene 4 EnerPol – Aspekte und Anwendungen “Big data”-Analysen und detaillierte Modelle werden genutzt, um verschiedene Szenarien für unterschiedliche Interessengruppen zu simulieren und präsentieren 5 Daten in EnerPol Entwickelte GIS Datenbanken Siedlungen Wasserflächen Transportnetze Übertragungsnetze Wälder Flughäfen Geschützte Flächen Zum Beispiel: Räumliche Variablen Land Anzahl Datenpunkte / Variable Deutschland 400 Milliarden Polen 350 Milliarden Italien 325 Milliarden Schweiz 45 Milliarden Topographie … Ca. 270 Ebenen Knapp 270 Ebenen von räumlich und zeitlich aufgelösten Daten wurden entwickelt Datenbank beinhaltet Informationen zu anthropologischen, klimatischen, technischen, finanziellen und regulatorischen Variablen Daten sind mit 30m x 30m räumlicher Auflösung und zeitlicher Auflösung von einer Stunde vorhanden 6 Aus welchen Quellen bezieht EnerPol seine Daten Satellitendaten Öffentlich Zugängliche Daten Selbstentwickelte Daten We\ermodelle 7 Multispektrale Satellitenbilder werden zur Datenakquise ausgewertet Satellitenbilder der Regionen Vegetation Bebaute Fläche Wasserflächen 8 Mesoskala-Wettersimulationen § Mesoskala-Wettersimulationen zur langfristigen Vorhersagen von meteorologischen Ressourcen § Modifiziertes In-house Programm errechnet stündliche Vorhersagen von Wind- und Solargeneration § Räumliche Auflösung 10km x 10km x 20m über Zentraleuropa, bis zu 2km über Boden § Historische Wetterdaten für fünf Jahre wurden generiert § Simuliert auf ETH-Cluster Brutus § Ergebnisse: Dreidimensionale Windprofile, Windrichtungen, Regenfälle, Sonneneinstrahlung und Temperaturen 9 Windgeschwindigkeit (m/s @ 100m AGL) Sonneneinstrahlung auf Boden (MWh/m2) Meteorologische Vorhersagen von Wind- und Sonnenenergie PL DE CZ AT CH 1.0 1.6 PL DE CZ AT CH 4.0 10.5 § Stündlich gemittelte Werte der erneuerbaren Ressourcen werden an den Positionen der Wind- und Solaranlagen ausgewertet § Die so simulierte Stromproduktion aller erneuerbaren Anlagen wird ins Übertragungsnetz gespiesen 10 Der EnerPol Ansatz Simulationen von Stromerzeugung, Stromübertragung und Stromnachfrage werden für 2035 und 2050 auf stündlicher Basis (8760 Stunden pro Jahr) durchgeführt Die Simulationen ermöglichen Auswertungen der Netzauslastung und der volkswirtschaftlichen Effekte verschiedener Szenarien 11 Erzeugungs-, Übertragungs- und Nachfragemodelle Stromerzeugung Stromübertragung Stromnachfrage Detaillierte Modelle von Stromerzeugung, -übertragung und -nachfrage wurden anhand von physikalischen Gesetzen und Randbedingungen unter genauer Berücksichtigung von ökonomischen Effekten entwickelt. 12 Stromerzeugungsmodelle in EnerPol Alle Kraftwerke werden individuell modelliert • Kraftwerke werden nach Brennstofftypus unterschieden • Fluktuation der einzelnen Brennstoffpreise wird berücksichtigt • Grosskraftwerke werden blockscharf abgebildet -‐ Coal • Erneuerbare Stromproduktion -‐ Lignite -‐ Gas wird anhand von Wetterdaten -‐ Biomass ermittelt 13 Thermodynamische Modellierung der konventionellen Kraftwerke Einzelne Blöcke von konventionellen Kraftwerken werden individuell modelliert, inklusive LastwechselOperationen wie Start/Stopp, Mindestlastbetrieb und Lastwechsel-Rampen 40 Simple Cycle Gaskraftwerk 38 Efficiency [%] 36 34 Unit size [MW] 50 100 150 200 250 32 30 28 26 24 22 20 30 40 50 60 Load [%] 70 80 90 100 14 Modellierung von Wasserkraftwerken 1.2 Relative Stromnachfrage [−] Stündliche Stromproduktion von Laufwasser- und Speicherkraftwerken wird anhand der natürlichen Wasserflüsse modelliert 1.1 1 0.9 0.8 Relative Stromnachfrage Pumpenoperation Turbinenoperation 0.7 Mo Di Mi Do Fr Tag der Woche Sa So 15 Strom- und Gasübertragungsnetzmodelle in EnerPol Höchstspannungsleitungen werden individuell mit genauem Verlauf, Spannungslevel und elektrischen Parametern modelliert Für Simula=onen der Schweiz über 2020 hinaus wurde das neue Swissgrid Netz für 2025 angenommen Kompressoren Speicher Pipelines Gas-Pipelines werden individuell mit Pumpen, Durchflusslimiten und Speicherkapazitäten modelliert 16 Übertragungsnetze der Nachbarstaaten Die Übertragungsnetzpläne der Schweizer Nachbarstaaten werden exakt modelliert Deutschland 2013 2020 • Energiepolitische Entwicklung in Nachbarländern (z.B. Deutschland) wird Schweizer Energienetz entscheidend beeinflussen • Um Einfluss der deutschen Erneuerbaren auf das Schweizer Übertragungsnetz zu untersuchen, wurde erfolgreiche Fertigstellung der fünf deutschen GleichstromLinien angenommen • Durch Gleichstrom-Linien werden Fluktuationen der deutschen Erneuerbaren deutlich direkter ins 17 Schweizer Netz übertragen Stromnachfragemodelle in EnerPol Stündliche Stromnachfrage wird getrennt berechnet für Haushalte, Gewerbe, Industrie und Transportsektor und anschliessend summiert zur Gesamtnachfrage Jährliche schweizerische Stromnachfrage MW Monat Stunde 18 Anwendung – Simulation erzielt genaue Wiedergabe des Strommix in Deutschland Die Ganzjahressimulation von EnerPol für Deutschland 2013 zeigt eine gute Übereinstimmung der Strommix-Prognosen mit tatsächlich realisierten Werten Messung Simulation Gas Biomasse Kernkraft Ergebnisse der Blindstudie für Deutschland 2013 Oel Kohle Solar Wasser Wind 0 10 20 30 Marktanteil [%] 40 50 19 Anwendung – Identifikation von neuen Pumpspeicherkraftwerken für das “Batterie für Europa” Szenario Basierend auf hydrologischen Faktoren, Topographie-Analysen sowie Seevolumen wurden 10 potenzielle neue Pumpspeicherkraftwerke mit insgesamt 5.8 GW Leistung identifiziert Für das “Batterie für Europa” Szenario wurde eine Umsetzungsrate von 75% angenommen, weshalb 4.4 GW neue Pumpspeicher Pumpspeicherkapazität (MW) für 2035 ins Schweizer 380 kV < 400 MW 220 kV Netz geführt wurden 400 – 800 MW > 800 MW 20 Anwendung – Verbesserung der sozialen Akzeptanz durch Visualisation Dome Die Resultate von EnerPol werden in LECs Visualisation Dome präsentiert, um die soziale Akzeptanz von Energieprojekten zu erhöhen Der Visualisation Dome bietet ein komplett umfassendes Erlebnis (360° akustisch und visuell) 21 Engpässe im Schweizer Übertragungsnetz identifiziert für 2035 Aus Stromnetzsimulation für „Batterie“ Szenario in 2035 lässt sich erkennen • Alle fünf von Swissgrid identifizierten Netzengpässe werden auch von EnerPol erkannt (blau) • Zusätzliche Engpässe treten auf an den transnationalen Verbindungen nach Deutschland, Österreich und Italien (rot) Durchschnittliche Netzauslastung 2035 0% – 20% 20% – 30% 30% – 40% 40% – 50% >50% 22 Im “Batterie” Szenario sind 400 km des Netzes oftmals hohen Auslastungen ausgesetzt, während es im “Insel” Szenario nur 60 km sind „Insel in Europa“ Szenario Anzahl Stunden mit Auslastung >80% 0 – 200 200 – 500 > 500 60 km des Netzes sind während mehr als 500 Stunden des Jahres zu mehr als 80% ausgelastet (rot) „Batterie für Europa“ Szenario Anzahl Stunden mit Auslastung >80% 0 – 200 200 – 500 > 500 400 km des Netzes sind während mehr als 500 Stunden des Jahres zu mehr als 23 80% ausgelastet (rot) Wasserkraft und Importe aus Deutschland und Frankreich decken 80% des Strombedarfs Netzsimulationen von „Batterie “ und „Insel“ Szenarien für 2035 zeigen • In beiden Szenarien decken Wasserkraft und Importe mehr als 80% des Strombedarfs • Weder Wind- noch Solaranlagen erreichen signifikante Marktanteile * • Im „Insel in Europa“ Szenario wird 10% des Schweizer Bedarfs durch Schweizer Gaskraftwerke gedeckt *Abschaltung des KKW Gösgen ist erst nach 2035 geplant 24 Im “Insel in Europa” Szenario werden Spitzenlasten durch Gaskraftwerke abgedeckt Strommix einer Sommerwoche von 2035 zeigt • Wasserkraft übernimmt Grossteil der Grundlast und Mittellast • Gaskraftwerke übernehmen Spitzenlasten in Stunden von niedrigem erneuerbaren Ertrag in Deutschland 15 Produzierte Leistung [GW] • Mittellast wird so oft wie möglich durch günstigen erneuerbaren Importstrom aus Deutschland abgedeckt Kernkraft Wasserkraft Importe Erdgas Biomasse Wind Solar 10 5 Mo Di Mi Do Fr Sa So Beispielwoche: 9. September – 15. September 25 Zusätzlich errichtete Wasserkraftwerke ersetzen Gas im “Batterie für Europa” Szenario Strommix einer Sommerwoche von 2035 im „Batterie für Europa“ Szenario zeigt • An Wochenenden decken günstige erneuerbare Stromimporte aus Deutschland über 40% der Last 15 Produzierte Leistung [GW] • Zusätzliche Pumpspeicher ersetzen Gaskraftwerke während Spitzenlasten Kernkraft Wasserkraft Importe Erdgas Biomasse Wind Solar 10 5 Mo Di Mi Do Fr Sa So Beispielwoche: 9. September – 15. September 26 Volkswirtschaftliche Analyse zeigt, dass “Batterie für Europa” Szenario auf schweizerischer Ebene rentabler ist als “Insel in Europa” Szenario Die im „Batterie“ Szenario zusätzlich errichteten Pumpspeicher in der Schweiz • Ermöglichen mehr Lastausgleich für deutsche Erneuerbare • Ermöglichen mehr Spitzenlastkapazitäten zum Export nach Italien Volkswirtschaftliche Bilanz von Stromexport versus Stromimport zeigt finanziellen Vorteil des “Batterie für Europa” Szenarios Ø “Batterie für Europa” Szenario ermöglicht 15 – 23% niedrigere Strompreise innerhalb der Schweiz 27 Verbindungen nach Deutschland und Italien werden bis 2050 kritisch Falls Deutschland sein Ziel von 100% Erneuerbaren bis 2050 erreicht, folgt daraus • Die zuvor identifizierten Engpässe an der deutschen und italienischen Grenze werden ohne zusätzliche Netzverstärkungen kritisch (rot) • Signifikante Lastflüsse von deutschem erneuerbarem Strom durch Österreich und Graubünden nach Italien (blau) Durchschnittliche Netzauslastung 2050 0% – 20% 20% – 30% 30% – 40% 40% – 50% >50% 28 Schweizer Bevölkerungsentwicklung und BFE-Zielsetzung bei Energieeffizienz resultieren in ±20% Änderung in Stromnachfrage bis 2050 Sowohl im „Batterie“- als auch im „Insel“-Szenario bewirkt eine erhöhte Energieeffizienz eine signifikante Strompreisreduktion von 15% (in 2035) und 25% (in 2050) Durchschnittlicher Strompreis [EUR/MWh] Für den Schweizer Strompreis ist die Entwicklung der Stromnachfrage ebenso wichtig wie die politische Entscheidung “Batterie” vs “Insel” Batterie Europa, −20% Stromverbrauch Batterie fürfür Europa, erhöhte Effizienz* Batterie Europa, +20% Stromverbrauch Batterie fürfür Europa, Pro-Kopf-Verbrauch konstant 55 45 35 2015 2035 2050 *Effizienz-Anstieg aus BFE-Zielsetzung für 2050 entnommen 29 Zusammenfassung Schweizer Produktionskapazitäten 2015 (in MW) Systemumfassende bottom-to-top Analyse des schweizerischen Übertragungsnetzes wurde mit LEC’s Simulationstool EnerPol für 2035 durchgeführt. Kapazitäten & Ergebnisse für 2035 “Insel” “Batterie” Kernkraft 1’000 1’000 Laufwasser- und Speicherkraftwerke 12’000 12’400 Pumspeicherkraftwerke 2’200 6’600 Erneuerbare & Konventionelle Kraftwerke 5’400 1’800 Durchschnittlicher Import 2’800 4’000 Durchschnittlicher Export 3’600 4’900 Hochbelastete Netzlänge 60 km 400 km – 15 – 23% Strompreisreduktion aufgrund von Handelsüberschuss Kernkraft 3’200 Laufwasser- und Speicherkraftwerke 12’000 Pumspeicherkraftwerke 2’200 Erneuerbare & Konventionelle Kraftwerke 500 Durchschnittlicher Import 2’700 Durchschnittlicher Export 2’900 Für 2050 wurde ein erheblicher Anstieg der kritisch belasteten Netzlänge festgestellt, insbesondere an den Verbindungen zu Deutschland und Italien entstehen Engpässe 30 31
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