Die Kosten von erneuerbarer Stromerzeugung mit Energiespeicherung

Eine techno-ökonomische Berechnungsmodellierung auf der Grundlage realer Daten aus Windkraft und Sonnenkraft

Author: Nico Wehrle

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Table of Contents

About this book

Windkraft und Sonnenkraft sind erneuerbare und günstige Stromquellen. Diese Aussage ist häufig in den gegenwärtigen Diskussionen über die zukünftige Stromversorgung zu hören. Hierbei handelt sich jedoch um Stromgestehungsmethoden mit hohen volatilen Anteilen, so dass mit deren zunehmendem Anteil, Ausgleichssysteme wie Energiespeicher erforderlich werden. An diesem Punkt setzt das vorliegende Werk an und beschreibt die Grundlagen, Voraussetzungen und die Entwicklung zweier techno-ökonomischer Berechnungsmodelle. Darin werden neben der Berechnung der erforderlichen Speicherkapazitäten, auch die Kosten für die gesamtheitlichen Systeme und deren anfallende Verluste betrachtet. Es wird ein Berechnungsansatz präsentiert, der insbesondere die Problematik der hohen Kosten von Speichersystemen aufgreift und diese in ein Verhältnis zur Stromerzeugung setzt. Die resultierenden Ergebnisse sind am Beispiel des deutschen Stromversorgungssystems veranschaulicht und liefern eine Abschätzung, welche Stromkosten mit einer vollständig volatilen Stromversorgung zu erwarten sind.

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Energie und ihre Verfcgbarkeit sind seit jeher eine der Grundvoraussetzungen für technischen Fortschritt und Wohlstand. Seit der industriellen Revolution wird der Energiebedarf in den meisten Ländern der Welt weitgehend durch fossile Brennstoffe gedeckt. Wind- und Sonnenkraft werden in Zukunft deutlich an Bedeutung gewinnen und damit einen wesentlichen Teil der globalen Energiewende darstellen. Es wird erwartet, dass bis zum Jahr 2050 Windkraft mehr als 35 % und Sonnenkraft etwa 25 % der gesamten Stromerzeugung ausmachen wird. Aus technischer und wirtschaftlicher Sicht stellt sich damit die Frage, wie viel Energiespeicherkapazität erforderlich ist und welche Kosten damit verbunden sind.

Nico Wehrle

Kapitel 2. Hintergrund

Zusammenfassung

Dieser Abschnitt liefert einen Überblick über die Zusammensetzung der Elektrizitätserzeugung der vergangenen Jahre und über die Rolle der erneuerbaren Stromquellen. Weiterhin wird der Strommarkt für die Europäische Union und näher für Deutschland beschrieben. Ziel ist es, einen Überblick der Struktur und der Hintergrnde der Preisbildung zu liefern. Von zentraler Bedeutung ist der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Wind- und Sonnenkraft. Konventionelle Kraftwerke werden in den dargestellten Prozessen zunehmend durch diese erneuerbaren Erzeugungskapazitäten ersetzt. Der offensichtliche Nachteil von volatilen Stromquellen besteht in ihrer Wetterabhängigkeit. Ab einem bestimmten Anteil von Erzeugungskapazitäten am Gesamtstrommix wird es zunehmend schwieriger, eine bedarfsgerechte Stromversorgung mit einer geringeren Anzahl grundlastfähiger Kraftwerke zu bewältigen. Eine Lösung kann der Einsatz von Energiespeichern sein, die die Möglichkeit bieten, den Strom aus volatilen Quellen an die Dynamik der Nachfrage anzupassen.

Nico Wehrle

Kapitel 3. Zielsetzung

Zusammenfassung

Vorrangiges Ziel dieses Werkes ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells, das eine vollständige Kopplung der technischen Speicherbedarfsermittlung mit den kostenbezogenen Aspekten ermöglicht. Dieses techno-ökonomische Modell baut auf bestehenden Methodiken auf und schließt die Lücke zwischen den technischen und ökonomischen Berechnungsansätzen. Das Modell bildet die einzelnen Speichertechnologien ab und liefert damit detaillierte Aussagen über die Anforderungen an Energiespeicher und deren Nutzungseigenschaften. Das Endergebnis besteht in einer Angabe der Gesamtsystemkosten von Stromerzeugung und der Speicherung.

Nico Wehrle

Kapitel 4. Methodik und Daten

Zusammenfassung

Die Modellierung basiert auf Daten aus dem Zeitraum 2012 bis 2018, in dem bereits große Mengen an Wind- und PV-Anlagen in Betrieb waren. Die Eingangsdaten liegen in Form von 61368 stündlich aufgelösten Datensätzen vor und erlauben somit eine repräsentative Abschätzung des Energiespeicherbedarfs. Ein wesentlicher Aspekt ist die Berücksichtigung der windschwachen Jahre 2013 und 2014, die im Rahmen der verwendeten Daten eine geringere Stromerzeugung abbilden. Die Eingangsdaten bestehen insgesamt aus den Werten der erzeugten elektrischen Windenergie, der elektrischen Sonnenenergie und den entsprechenden installierten Erzeugungskapazitäten aus Wind und Sonne.

Nico Wehrle

Kapitel 5. Ergebnisse serielles Modell

Zusammenfassung

Dieses Kapitel dokumentiert die Ergebnisse der Speicherkapazitätsberechnung des seriellen Berechnungsmodells. Sie bestehen im Wesentlichen aus den zeitabhängigen Ladezuständen der Speichersysteme sowie dem notwendigen Multiplikator, der den Faktor angibt, mit dem die durchschnittlich installierte Erzeugungsleistung in der Betrachtungsperiode multipliziert wird. Es werden alle 5-Speicherklassen des seriellen Rechenmodells in aufsteigender Reihenfolge angesteuert.

Nico Wehrle

Kapitel 6. Ergebnisse semi-paralleles Modell

Zusammenfassung

Dieses Kapitel dokumentiert die Ergebnisse der Speicherkapazitätsberechnung des semi-parallelen Berechnungsmodells. Sie bestehen im Wesentlichen aus den zeitabhängigen Ladezuständen der Speichersysteme sowie dem notwendigen Multiplikator, der den Faktor angibt, mit dem die durchschnittlich installierte Erzeugungsleistung in der Betrachtungsperiode multipliziert wird. Bei der Aufladung werden die Klassen 1 bis 3 in serieller Reihenfolge angeordnet, während die Klassen 4 und 5 parallel mit einer konstanten Leistung angeordnet werden.

Nico Wehrle

Kapitel 7. Ergebniszusammenfassung und Diskussion

Zusammenfassung

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse diskutiert und zusammengefasst. Dies liefert einen gesamtheitlichen Überblick über die gewonnenen Erkenntnisse. Hinsichtlich der resultierenden Stromkosten führt das serielle Berechnungsmodell zu geringeren Kosten, wenn mit hohen Strombezugskosten zu rechnen ist. Entscheidendes Kriterium ist dabei, die Energieverluste so gering wie möglich zu halten, da diese einen wesentlichen Einfluss auf die Verlustkosten ausüben.

Nico Wehrle

Kapitel 8. Schlussfolgerungen

Zusammenfassung

Das gesamtheitliche Ergebnis der Untersuchungen zeigt, dass unter Berücksichtigung der Speicherkosten und der Verlustkosten, die Gesamtsystemkosten um ein Mehrfaches höher ausfallen als die der Stromerzeugung. Eine weitere Schlussfolgerung ist daher, dass bei einer vollständig volatilen Stromversorgung die Speicherkosten und die Verlustkosten als die wesentlichen Kostentreiber zu betrachten sind. Aus diesem Grund müssen bei der Planung der Stromversorgung auf Basis von erneuerbaren Energien und Speichersystemen eben auch diese Kosten Berücksichtigung finden. Eine Fokussierung ausschließlich auf die elektrische Erzeugungsleistung führt zu einer starken Unterschätzung der Kosten für das Gesamtsystem.

Nico Wehrle

Title: Die Kosten von erneuerbarer Stromerzeugung mit Energiespeicherung
Author: Nico Wehrle
Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-44571-3
Print ISBN: 978-3-658-44570-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-44571-3