Upload
minnie-helke
View
115
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Integration of renewable energies: competition between storage, the power grid and flexible demand
Thomas Hamacher
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Introduction
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Introduction
New power system
Cross sectorcoupling
New controls
New marketmechanism
New hierarchy ofsystemMicro-grid
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Energy models
Energy Models
Eco
nom
y
Tech
nolo
gica
l cha
nge
Tech
nolo
gy
Hum
an b
ehav
iour
Env
ironm
ent
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
5
Database of renewable energies generation time series
• Wind speed in 50 m
• Radiation• Temperature in 2
m• Air pressure• Others
Available variables
• 1979 – “now”
Available timeframe
• NASA: MERRA-Reanalysis dataset
Data source
2/3 °resolution 540 data points
1/2
°re
solu
tion
3
61 d
ata
poin
ts
1 ho
ur
reso
lutio
n
8760
/878
4
data
poi
nts
~1,7 bn. data points per variable per year
Time series data
Static Data
• NASA• Other US/EU
Agencies• Universities
Data source
• Earth surface properties (land/sea, elevation, roughness of surface, …)
• Country/region boundaries• Others
Available data
Illustrations (pictures and videos) for reports and lectures
Renewable energies generation time series for modeling and statistical analysis
0 50 100 150 2000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Leistung gleichverteiltSchlechtester StandortBester StandortBevorzugung guter StandorteStarke Bevorzugung guter Standorte
Data processing based on different input data End products
Source Janker
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Warming up with wind-statistics
Source Janker
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Warming up with wind-statistics
Source Janker
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Warming up with wind-statistics
Source Janker
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
A model to describe future power markets (URBS)
The year 2050 is modelled
Each country is a node in the model
New investments and power plant scheduling are the result of cost
minimisation Wind and PV are described by hourly resolved time series
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
The model: assumptions
Technology
Investment Cost
Fix Cost Lifetime
[€/kW] [€/kW] [a]
CCGT 750 11 30
PV- rooftop
1080 29 25
PV-utility
801 22 25
Wind-on 932 31 25
Wind-off 1495 60 20
Biomass 2450 80 25
Region Electricity demand [TWh]
Europe 3000
Trukey 509
MENA 970
In the year 2050 CO2-emissions are reduced by 95 % compared to the year 1990.
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Wind as low cost option
0
25
50
75
100
125
150
175
200LCOE and install ratios of processes
DK
DK
NO
GB IE DK
NO
CZ
EG
EG
DZ
LY SE
SA EE
MA
DE
NL
SA TN
IT-S LV GR
DZ
JO LU LT LY CZ
MA
EG
SY
RO
AT
SY PL SI
NO TR
BE
LY DZ
FR
IT-N TN
DE
NL FI
BG JO SA
IT-S
GR
ES
-SE
S-E SK
LU HU
DK
GB
RO IE AT
CZ SI
BE
ES
-NW PL
IT-N PT
BG SE
CH
DE
ES
-SE
S-E DE
SK
HU
IT-S
GR
PT
LV LT EE
ES
-NW
ES
-S FR FI
ES
-NW SI
IT-S
ES
-SE
S-E
RO NL
BG
ES
-EG
RG
RB
EE
S-N
WR
OB
G FR
IT-N
IT-S
IT-N CH
HU
AT SI
LU IEG
BD
KS
KB
EN
LD
ES
EC
ZN
O FI
LV PL
EE
LT
© TUM IfE 69-028-L11
0
0.5
1
LCOE [€/MWh]
install ratio
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Results
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Results
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Storage Option
100 €
1,000 €
10,000 €
1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000
inve
stm
ent
[€/k
W]
power [kW]
pumpedstorage
flywheel
lead-acidbattery
flow battery
sodium-sulforbattery
li-ion battery
hydrogen storage
© TUM IfE 81-001-L-13
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Storage Option
10 €
100 €
1,000 €
10,000 €
1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000
inve
stm
ent
[€/k
Wh]
capacity [kWh]
pumped storage
flywheel
lead-acidbattery
flowbattery
sodium-sulforbattery
li-ionbattery
© TUM IfE 81-002-L-13
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Model IMAKUS – structure
Model IMAKUS
© IfE, 61-074-F-11
Model MOWIKA
Power Plant Investment Planning
(Intertemporal)
Model MESTAS
Storage Investment Planning
(Green Field)
Unit Commitment and Economic Dispatch
Model MOGLIE
Determination ofSystem Firm Capacitiy
Determination of Required Minimum Installed Capacity
Input Data
Portfolio Data
Economic and Technical Parameters
Consumer Load
Must-run Feed-in(Renewable and CHP)
Constraint Parameters
Source: Kuhn, P.: Iteratives Modell zur Optimierung von Speicherausbau und –betrieb in einem Stromsystem mit zunehmend fluktuierender Erzeugung
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Electricity Generation in Scenario with 15 % Lower Demand and 80 % Share of RES in 2050
-100
0
100
200
300
400
500
600
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Year
Ele
ctr
icit
y G
en
era
tio
n i
n T
Wh
RES & CHP Curtailment
Storages
Solar
Wind - Offshore
Wind - Onshore
Hydro
CHP
Geothermal
Biomass
Oil
Gas Turbine
CCGT
Hard Coal
Hard Coal 700°C
Lignite
Lignite 700°C
Nuclear
61405B13
Source: Kuhn, P; Kühne, M.; Heilek, C.: Integration und Bewertung erzeuger- und verbraucherseitiger Energiespeicher, KW21-Bericht, 2012
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Storage expansion in Scenario with 15 % Lower Demand and 80 % Share of RES in 2050
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
H2-CCGT
AA-CAES
PSP
PSP(existing)
61412B13
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Year
Ins
tall
ed
Sto
rag
e C
apa
city
in
GW
h
H2-CCGT
AA-CAES
PSP
PSP(existing)
61412D13
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Year
Ins
tall
ed
Ch
arg
ing
Po
wer
in
MW
H2-CCGT
AA-CAES
PSP
PSP(existing)
61413D13
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Year
Ins
tall
ed
Dis
char
gin
g P
ow
er
in M
W
61414D13
Source:Kuhn, P; Kühne, M.; Heilek, C.:Integration und Bewertung erzeuger- und verbraucherseitiger Energiespeicher, KW21-Bericht, 2012
Charging Discharging
Capacity
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Storage capacity expansion – comparison of different scenarios
20
Source: Kuhn, P; Kühne, M.; Heilek, C.: Integration und Bewertung erzeuger- und verbraucherseitiger Energiespeicher, KW21-Bericht, 2012
4,0
4,9
0,2
3,1
1,4
2,0
0 1 2 3 4 5
15% lower demand / 80% RES
25% lower demand / 80% RES
3% higher demand / 60% RES
with V2G
storage heating
NTC unbounded - 25 € per MWh
storage capacity expansion in the year 2050 in TWh
EV
DS
ME
xpo
rt
© If
E,
4836
4H13
Bas
e
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Model predictive control of building automation
MPCelectrical
HVAC system buildingelectricityprice,weatherdata
self-adaptingmodel
€ °C
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und AnwendungstechnikProf. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Conclusion
Large networks favour the integration of renewables, especially wind orlarge networks would favour the penetration of wind.
A better understanding of storage requires a better understanding of cross sector couplings and depends on the final mix.
Flexible demand is already possible in current systems (for examplebuilding controls) but requires quite sophisticated prediction systems.