Energiespeicherung mittels (Pump-)Speicherwasserkraft Prof. Dr. Robert Boes Reatch: Energie speichern – Lösungen für morgen Inhalt Energiespeicherung mittels (Pump-)Speicherwasserkraft Bedarfssituation und Eignung von (Pump-)Speicherwerken Ist-Zustand und technische Entwicklungen Rolle der (Pump-)Speicher in der Energiestrategie 2050 Schlussfolgerungen 1 Reatch: Energie speichern – Lösungen für morgen Volatilität der Energieproduktion aus Wind und Sonne Bedarfssituation und Eignung Stromproduktion Schweiz 2008 (Winter Sommer; Tag Nacht) 2 Wind Sonne Quelle: Prognos (2012) Stromverbrauch im Tages- und Monatsverlauf Strombedarf Schweiz 1997 und 2012 (Winter Sommer; Tag Nacht) Bedarfssituation und Eignung MW 3 MW Dez 24 Uhr 24 Uhr 12 Uhr Jan 12 Uhr Jan 0 Uhr 0 Uhr 1997 2012 Quelle: Prognos (2012) Zunahme des Bedarfs an flexibler Speicherkapazität Bedarfssituation und Eignung Effekt der zunehmenden Integration erneuerbarer Energiequellen 4 Quelle: Poncet, Alpiq (2012) Flexible Speichermöglichkeit: Pumpspeicherkraftwerke Ausgleich von Energiedargebot und -bedarf Bedarfssituation und Eignung Pumpspeicher) 5 Quelle: Poncet, Alpiq (2012) 6 Nennleistung Bedarfssituation und Eignung Kapazität verschiedener Speichertechnologien Energieerzeugung Quelle: nach Smolinka, Fraunhofer ISE (2011) 7 Preisniveau 2008 Wasserstoffspeicher Druckluftspeicher geschätztes Preisniveau > 2020 PSW totale spezifische Speicherkosten per Zyklus in ct / kWh Bedarfssituation und Eignung Spezifische Kosten verschiedener Speichertechnologien verschiedene Akkumulator-Technologien Quelle: nach VGB PowerTech (2010) Trümpfe der (Pump-)Speicherwasserkraft • Schnelle Bereitstellung grosser Leistungen (Turbinenbetrieb) • Schnelle Aufnahme überschüssiger Leistungen (Pumpbetrieb) Bedarfssituation und Eignung • Saisonspeicher für Umlagerung Sommer in Winter 8 • Stunden-/Tagesspeicher für Einlagerung überschüssiger Energie mit PSW • Grosstechnisch ausgereifteste Möglichkeit der Energiespeicherung («Batteriefunktion») • Günstigste Speichertechnik Pumpspeicherkapazitäten der Schweiz Ist-Zustand und Entwicklungen Übersicht zur Situation 9 Quelle: nach Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband (2012) / Stettler (2011) Pumpspeicherkapazitäten der Schweiz Ist-Zustand und Entwicklungen Bestand, Bau und Planung 10 Referenz Pumpleistung [GW] Bestand 1.5 [1] Anmerkungen, Projektnamen 19 PSW, davon 3 Umwälzwerke im Bau 2.14 Nant de Drance (900 MW), LinthLimmern (1’000 MW), Hongrin-Léman (240 MW) in Planung 1.66 Lago Bianco (1’000 MW), Grimsel 3 (660 MW) Total 5.3 in Energiestrategie 2050 berücksichtigt Quelle: [1] BFE (2014) Technische Trends: Hydraulischer Kurzschluss Bsp.: Kopswerk II (Österreich), FMHL+ • ternärer Maschinensatz Pumpe und Turbine auf einer gemeinsamen Welle • vollständige Pumpenregulierung durch zeitgleichen Turbinenbetrieb Ist-Zustand und Entwicklungen • optimaler Pumpwirkungsgrad auch bei kleinen Netzüberschüssen Quelle: Vorarlberger Illwerke AG (2013) 11 Technische Trends: Schaffung unterirdischer Speichervolumina Bsp.: Kapazitätserweiterung Tagesspeicher Nassfeld (Österreich) • Schaffung eines Kavernensystems zur Wasserspeicherung (IBN 2007) • Nutzungskonflikte an der Geländeoberfläche werden umgangen Ist-Zustand und Entwicklungen • keine zusätzliche Beeinträchtigung des Landschaftsbildes 12 Nutzvolumen : 230’000 m3 (Erweiterung um ca. 170’000 m3) Quelle: Salzburg AG (2012) kalk. spez. Baukosten : 120 CHF / kWh Technische Trends: Konzepte als Mehrzweckanlagen Bsp.: «Kombilösung Energie» Etzel-PSW am Sihlsee (SZ) • Erweiterung Pumpspeicherkapazitäten in Verbindung mit Erhöhung des HWS-Raums Ist-Zustand und Entwicklungen • Trend der Kompromissfindung: wirtschaftliche Interessen Schutzbedürfnis 13 Quelle: BAFU (2012) Weite Teile der Zürcher Innenstadt liegen auf dem Schwemmkegel der Sihl und sind einem hohen Überschwemmungsrisiko ausgesetzt. Quelle: AWEL (2012) Bisherige Entwicklung Energieverbrauch und -mix Rolle in der Energiestrategie 2050 Endenergieverbrauch in der Schweiz nach Energieträger 1910-2012 24% 38-46% (?) Anteil Strom heute bei ca. einem Viertel; der Anteil wird aber gemäss Studien (u.a. ETHZ, 2011) bis 2050 auf 38-46% ansteigen Energie ist mehr als Strom, aber Strom wird immer wichtiger! 14 Quelle: BFE (2013) Entwicklung Elektrizitätserzeugung und -nachfrage Rolle in der Energiestrategie 2050 Szenarienvergleich im hydrologischen Jahr 15 Szenarien: Weiter wie bisher (WWB) Politische Massnahmen (POM) Neue Energiepolitik (NEP) Quelle: Prognos (2012) Deckung Zusatzbedarf Szenarien Prognosen ETHZ (BFE) Rolle in der Energiestrategie 2050 14 (11) TWh 16 4 (4) TWh 3 (4) TWh 6 (4) TWh 4 (3) TWh Ausbau der Wasserkraft und der neuen erneuerbaren Energien zur Deckung der wegfallenden Produktion aus Kernkraft für das Nachfrageszenario «Mittel» (ETHZ) bzw. «Neue Energiepolitik (NEP)» und «Politische Massnahmen (POM)» (BFE) _______________________ Summen: ETHZ 31 TWh BFE 26 TWh Quellen: ETH Zürich (2011) Werte in (): Piot (2014) Rolle in der Energiestrategie 2050 Stromdefizit im Winterhalbjahr (saisonaler Effekt) • Ausgangslage (Angaben bezogen auf Winterhalbjahr) – Seit Jahren Einfuhrüberschuss im Winterhalbjahr – Heutige Kernkraft liefert 14 TWh Bandenergie – Neue Erneuerbare sollen 2050 rund 10.5 TWh erzeugen 17 Quellen: BFE, Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2013, Piot (2014) Stromdefizit im Winterhalbjahr (saisonaler Effekt) 2010 2035 2050 Angaben für Winterhalbjahr in TWh Rolle in der Energiestrategie 2050 Landesverbrauch Neue Energiepolitik (NEP) 34.63 32.98 31.90 Politische Massnahmen (POM) 34.63 34.67 36.55 29.63 16.49 16.63 - 0.94 1.75 Photovoltaik, Wind 0.04 2.25 5.56 Geothermie, Biomasse 0.72 3.35 4.91 Angebot Bestehendes Angebot aus Wasserkraft, Kernenergie und fossil-thermischen Kraftwerken Neue Wasserkraftwerke (Prognos 2012) Total 30.39 23.03 28.85 Differenz zwischen Angebot und Landesverbrauch Neue Energiepolitik 4.24 9.95 3.05 Politische Massnahmen 4.24 11.64 7.70 18 Quellen: Prognosd (2012), Piot (2014) Rolle in der Energiestrategie 2050 Stromdefizit im Winterhalbjahr (saisonaler Effekt) 19 Deckung der Lücke durch Importe, neue Gaskombi-Kraftwerke oder zusätzliche saisonale Speicher • Im Bestszenario müssen rund 3 TWh bereitgestellt werden • Erhöhung von rund 20 bestehenden Talsperren um ca. 10% brächte zusätzlich 2 TWh Winterenergie Quelle: Piot (2014) Potential Vergrösserung Speicherseen Rolle in der Energiestrategie 2050 Erhöhung vorhandener Talsperren um ≤ 10% Aktuelle Preisdifferenz Sommer-Winter führt nicht zu ausreichender Wirtschaftlichkeit 20 Karte: Darstellung SWV; Quellen: BFE (2004), EPFL (2012) Rolle in der Energiestrategie 2050 Stromdefizit im Winterhalbjahr (saisonaler Effekt) 21 Deckung der Lücke durch Importe, neue Gaskombi-Kraftwerke oder zusätzliche saisonale Speicher • Im Bestszenario müssen rund 3 TWh bereitgestellt werden • Erhöhung von rund 20 bestehenden Talsperren um ca. 10% brächte zusätzlich 2 TWh Winterenergie • Fazit: – für Szenario «NEP» ist Lücke durch neue Saisonspeicher vermutlich (weitgehend) zu schliessen, – für Szenario «POM» nicht Quelle: Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf Rolle in der Energiestrategie 2050 (Tag/Nacht-Effekt) 22 • Ausgangslage – Produktion sehr variabel (PV und Wind) – Bedarf an Speichern, um in Tagesrandstunden und nachts genügend Strom zur Verfügung zu stellen Quellen: Meteo-Schweiz, Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf (Tag/Nacht-Effekt) Rolle in der Energiestrategie 2050 • Betrachtung von 23 – Energie: Steht genügend Wasser/Speicherinhalt zur Verfügung, um allfällige Produktions-Überschüsse zu nutzen? – Leistung: Steht genügend Pumpleistung zur Verfügung, um allfällige Überschüsse zum Zeitpunkt des Auftretens «einlagern» zu können? Quelle: Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf Rolle in der Energiestrategie 2050 Energiebilanz in der 2. Juliwoche 2050 nach NEP-Szenario 24 Werktag Samstag Sonntag Woche Laufwasser 62-78 55-74 46-72 411-536 Photovoltaik 24-85 24-85 24-85 168-595 Wind 9 9 9 63 Geothermie, Biomasse 21 21 21 147 116-193 109-189 100-187 789-1341 Nachfrage 145 130 120 975 Nachfrageüberschuss 29 21 20 186 Produktionsüberschuss 48 59 67 366 Angaben in GWh Produktion Total Energie Quellen: Prognos (2012), Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf Rolle in der Energiestrategie 2050 Energiebilanz nach NEP-Szenario Wälzwirkungsgrad Energiebedarf Pumpen [GWh] Energieproduktion Turbinieren [GWh] Heute 0.75 240 180 Mit Ausbau 0.80 300 240 • Fazit: – In Woche mit hoher Sonneneinstrahlung (Produktion 366 GWh) können total rund 70 GWh an überschüssiger Energie nicht gespeichert werden – Vor allem an Wochenenden ist Situation kritisch – In strahlungsarmer Woche beträgt Nachfrageüberschuss rund 190 GWh, der aus Speicherbecken gedeckt werden kann 25 Quelle: Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf Rolle in der Energiestrategie 2050 Tages-Leistungsbilanz in der 2. Juliwoche 2050 nach NEP-Szenario Werktag Samstag Sonntag Laufwasser 2.6-3.3 2.3-3.1 1.9-3.0 Photovoltaik 1.1-8.8 1.1-8.8 1.1-8.8 0-1.0 0-1.0 0-1.0 0.9 0.9 0.9 4.6-14.0 4.3-13.8 3.9-13.7 Nachfrage (Last) 6.7-7.3 6.0-6.5 5.5-6.0 Lastüberschuss 2.7 2.2 2.1 Leistungsüberschuss 7.3 7.8 8.2 Angaben in GW Produktion Wind Geothermie, Biomasse Total Leistung 26 Quellen: Prognos (2012), Piot (2014) Ausgleich im Tages- bzw. Wochenverlauf Leistungsbilanz nach NEP-Szenario Rolle in der Energiestrategie 2050 • Fazit: 27 – Leistungsbandbreite von −2.7 bis 8.2 GW – Leistungsüberschüsse von 7.3 bis 8.2 GW – Pumpenleistung 2050 rund 5.3 GW Überschussleistung zwischen 2.0 GW (werktags) und 2.9 GW (sonntags), die nicht durch Pumpen aufgenommen werden kann Quelle: Piot (2014) Zusammenfassung • Starke Zunahme volatiler Energieerzeugung (Wind, Sonne) verlangt nach mehr Regel- und Ausgleichsenergie • PSW im grosstechnischen Sinne nach wie vor die günstigste Option • Ausbau Pumpspeicherkapazität im Gange • Neue Pumpspeicherkapazität allerdings derzeit fraglich • Jüngster Boom hat neue Technologien beschleunigt Schlussfolgerung • Produktions-Lücke im Winterhalbjahr kann durch Erhöhung bestehender Speicher knapp geschlossen bzw. vermindert werden 28 • (Pump-)Speicherkapazität reicht in 2050 voraussichtlich weder aus Produktions- noch Leistungssicht, um Überschüsse aus neuen Erneuerbaren einzulagern Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! [email protected] 29
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