Analyse langfristiger Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes und deren Rolle im
zukünftigen Energiesystem
Modellkopplung und Szenario-Entwicklung des europäischen Kraftwerksparks
Karl-Kiên Cao
STRise Doktorandenseminar Stuttgart, 31.01.2017
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Agenda
Motivation
• Schematische Modellkopplung • Szenarien • Energiesystemmodell→Übertragungsnetzmodell • Bestimmung von Verteilfaktoren
Methodik
• Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten • Erste Ergebnisse
Definition des Kraftwerksparks im Szenario
Ausblick
DLR.de • Folie 2
Kleine „Geschichte“ der Methode zur Erstellung von Energieszenarien
Methodischer Schwerpunkt
Vollständiges und konsistentes Energiemengengerüst
Räumliche aufgelöste EE-Potentialanalysen und Optimierungsmodell
Berücksichtigung von Sektorkopplung, Speichern und Netzen
Räumliche Auflösung
Deutschland Europäische Staaten Europäische und deutsche Regionen
Zeitliche Auflösung
Jährlich Stündlich Stündlich
Beispiel-projekt
„Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland“ , 2004
„Möglichkeiten und Grenzen der Integration verschiedener regenerativer Energiequellen zu einer 100% regenerativen Stromversorgung der Bundesrepublik Deutschland bis zum Jahr 2050“, 2010
„Möglichkeiten und Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung“, 2014
Langfristszenarien zur Nutzung von
EE
100% EE mittels „unterjährlicher
Validierung“
Die Rolle der Flexibilität
DLR.de • Folie 4 Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Beispiele der bisherigen „Netzmodellierung“ in Energieszenarien
Quellen: • Luca de Tena, Diego (2014) Large scale renewable power integration with electric vehicles : long term analysis for Germany with a renewable based power supply. Dissertation, Universtität
Stuttgart. • Scholz, Yvonne und Gils, Hans Christian und Pregger, Thomas und Heide, Dominik und Cebulla, Felix und Cao, Karl-Kiên und Hess, Denis und Borggrefe, Frieder (2014) Möglichkeiten und
Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung. Projektbericht • Gils, Hans Christian und Cao, Karl-Kiên und Borggrefe, Frieder und Bothor, Sebastian (2016) Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland. Projektbericht
DLR.de • Folie 5
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Visualisierung eines Modells des europäischen Übertragungsnetzes
Mit Änderungen übernommen von: Wiegmans, B. (2016). GridKit: European and North-American extracts [Data set]. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.47317
DLR.de • Folie 6
Wieviel Netzausbau ist nötig?
Welchen Einfluss hat die Netzmodellierung auf die Energiesystemmodellierung?
Forschungsfragen
Wie können robuste Aussagen zum Netzausbaubedarf von Energieszenarien
ermittelt werden?
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Chart 7
• Optimierung (Systemkosten) Modelltyp
• Aggregiert (Regionen)
Räumliche Auflösung
• Zeitreihe • z.B. 8760 h
Zeitliche Auflösung
• Wirkungsgrade, Kosten, techn. Restriktionen
Technologie Detaillierung
• Optimierung (Systemkosten) Modelltyp
Räumliche Auflösung
• Zeitreihe • z.B. 8760 h
Zeitliche Auflösung
• Wirkungsgrade, Kosten, techn. Restriktionen
Technologie Detaillierung
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Typische Charakteristika Energiesystemmodell
DLR.de • Folie 9
Typische Charakteristika Übertragungsnetzmodell
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
• Simulation (Lastfluss) Modelltyp
• Detailliert (Knotenscharf)
Räumliche Auflösung
• Snapshot Zeitliche Auflösung
• Einzelne Netzkomponenten
Technologie Detaillierung
DLR.de • Chart 10
Modellierung
Output
Input
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Methodik zur Bestimmung von Netzausbauszenarien
Szenario Kraftwerks
park
Szenario Energie-bedarf
Techno-ökonomische
Parameter
Netzausbau-Szenarien
• Übertragungs-kapazitäten
Optimierung • Strommarktmodell • Konkurrenz der
Flexibilitätsoptionen • Kraftwerkseinsatz • DC-Lastfluss
Netzmodell • Netzanalyse • AC-Lastfluss
DLR.de • Folie 11
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Input - Szenariovarianten
Ausgangspunkt
A
AA AAA
AAB
AB ABA
ABB
B
BA BAA
BAB
BB BBA
BBB
DLR.de • Folie 12
Grundlegende Unterscheidung
„Szenario-Weichen“
Wasserstoffwirtschaft
Solarstrom-importe
Weder noch
Beides
Szenariovarianten in INTEEVER (I)
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Szenariobaum
2030
2050
Wasserstoffwirtschaft & CSP-Importe
Smart Grid
Supergrid
Trend
Protest
Transportmodell
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
Wasserstoffwirtschaft
Smart Grid
Supergrid
Trend
Protest
Transportmodell
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
CSP-Importe
Smart Grid
Supergrid
Trend
Protest
Transportmodell
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
Basis (ohne Wasserstoffwirtschaft
& CSP-Importe)
Smart Grid
Supergrid
Trend
Protest
Transportmodell
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2030
2050
2020
2030
2050
Supergrid
Trend
Protest
2030
2050
2030
2050
2020
ReferenzKeine LAO-
Ausbauplanung & Sektorkopplung
Netz-Szenarien
Trend
Protest
Smart Grid
Super Grid
DLR.de • Folie 13
Unterscheidung der Netz-Szenarien
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Szenariovarianten in INTEEVER (II)
Szenario-variante
Umsetzung TYNDP
Netzausbauplanung 2050 Sonstiges Drehstromübert
ragungsnetz HVDC
Übertragung Dominierende
Technologie Trend vollständig (2030) Netzverstärkung Freileitungen Supergrid
vollständig (2030) Netzverstärkung
Netzerweiterung Freileitungen
Smart-Grid
teilweise (2030, 2050)
Netzverstärkung Kabel
Ausbauplanung PV, Wind Onshore
Protest teilweise (2030), vollständig (2050)
Netzverstärkung + Limitierung max. GTC
Kabel kein
Großspeicherausbau
Transportmodell
vollständig (2030)
Ausbauplanung Grenzkuppelstellen, keine
Regionalisierung innerhalb Deutschlands
Freileitungen
DLR.de • Folie 14
Parametrierung • 1 exemplarischer Tag • TYNDP2016 • PTDF2014 (IFK) • Nur 1 „Flex-Option“ Ergebnisse: • Peak-Leistungsfluss (Liniendicke) • Drehstromnetz • HVDC
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 16
Erfolgter „Soft-Link“ Übertragungsnetzmodell→Energiesystemmodell
Räumliches Mapping (I)
DLR.de • Folie 17 Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Energiesystemmodell Übertragungsnetzmodell
→ Fallunterscheidung nötig
Wie mappen?
Knoten in einer Subregion
Nearest neighbor(s)
Knoten zu Sub-Regionen
Sub-Regionen zu Knoten
Räumliches Mapping (II): Fallunterscheidung
DLR.de • Folie 18 Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Sub-Region mit vielen Knoten Sub-Region ohne Knoten
Gleichmäßige Verteilung: • 𝑃𝑃𝑛𝑛 = 𝑃𝑃𝑚𝑚 ⋅ 1
𝑁𝑁,∀𝑛𝑛 ∈ 𝑁𝑁
3-Nearest-Neighbors-Verteilung1
• 𝑃𝑃𝑛𝑛 = 𝑃𝑃𝑚𝑚 ⋅1𝑑𝑑𝑛𝑛�
∑ 1𝑑𝑑𝑛𝑛�𝑁𝑁
1,∀𝑛𝑛 ∈ 𝑁𝑁
Geographischer Mittelpunkt
Knoten n = 1…N
Sub-Region m = 1…m
dn
1 http://www.netzausbau.de/SharedDocs/Downloads/DE/2023/NEP/NEMOIII.pdf?__blob=publicationFile
Räumliches Mapping (III)
DLR.de • Folie 19 Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Energiesystemmodell
Übertragungsnetzmodell
0
5
10
15
Erzeugung/Last pro Region
0
5
-4
-2
0
0
2
4
Potentiale Heutiger Bestand (Verteilung) Einwohnerzahl
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 20
Spezialfall: Offshore
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (I)
DLR.de • Folie 22
Fossile Strom-
erzeuger
Wärme-Erzeuger
Netz: DC-Load-Flow
Wärme-Speicher
H2-Erzeuger
fluk. EE-Srom-
erzeuger
Netz: Transport-
modell
Demand Response
E-Mobile
CO2-Emissio-
nen
Regelbare EE-Strom-erzeuger
Strom-Speicher
H2-Speicher
Strom-Bedarf
H2-Bedarf Wärme-Bedarf
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (I)
DLR.de • Folie 23
Fossile Strom-
erzeuger
Wärme-Erzeuger
Netz: DC-Load-Flow
Wärme-Speicher
H2-Erzeuger
fluk. EE-Srom-
erzeuger
Netz: Transport-
modell
Demand Response
E-Mobile
CO2-Emissio-
nen
Regelbare EE-Strom-erzeuger
Strom-Speicher
H2-Speicher
Min. „Inlands“-Erzeugung
Min. gesicherte Leistung
CO2-Ein-sparungs-
ziel
Was steht noch?
Strom-Bedarf
H2-Bedarf Wärme-Bedarf
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten (II)
DLR.de • Folie 24
Emissions
National limits
Global EUNA limit
Certificates
Gesicherte Leistung
100%
80%
50%
Inlands-Erzeugung
100%
80%
50% „Szenario-Weichen“
Wasserstoffwirtschaft
Solarstrom-importe
Weder noch
Beides
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (II)
DLR.de • Folie 25
Emissionslimit national
EUNA
Gesicherte Leistung
100%
80%
50%
Inlands-Erzeugung
100%
80%
50% „Szenario-Weichen“
Wasserstoffwirtschaft
Solarstrom-importe
Weder noch
Beides
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 26
Szenarien-Namen
Name Status (Rechenzeit)
Netz Inlandserzeugung & gesicherte Leistung
CO2-Limit
GridFix Optimal (2d, 12:40) TYNDP2016 >= 0% National
GridOpt Optimal (1d, 13:50) TYNDP2016+ >= 0% National
DG50-FC50 Not proven optimal TYNDP2016+ >= 50% National
DG80-FC80 Barrier limit exceeded
TYNDP2016+ >= 80% National
DG100-FC100 Rechnet seit 3d, 17h TYNDP2016+ >= 100% National
globalCO2Cap Optimal (1d, 3:53) TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika
DG100-FC100_gCO2 Non-optimal TYNDP2016+ >= 100% Europa, Nordafrika
DG50-FC50__gCO2 Optimal (1d, 05:31) TYNDP2016+ >= 50% Europa, Nordafrika
DG80-FC80__gCO2 Not proven optimal TYNDP2016+ >= 80% Europa, Nordafrika
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 27
Szenarien-Namen
Name Status (Rechenzeit)
Netz Inlandserzeugung & gesicherte Leistung
CO2-Limit
DG0-FC0_CO2Cost Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Nein
DG50-FC50_CO2Cost
Abgebrochen TYNDP2016+ >= 50% Nein
DG80-FC80_CO2Cost
Rechnet TYNDP2016+ >= 80% Nein
DG100-FC100_CO2Cost
Rechnet TYNDP2016+ >= 100% Nein
VariWaT Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika
VariMustRun Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika
VariFC Rechnet TYNDP2016+ Variation Europa, Nordafrika
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Erste Ergebnisse (I)
DLR.de • Folie 28
0%
100%
200%
300%
400%
500%
600%
700%
800%
900%
Alba
nia
Alge
ria
Aust
ria
Belg
ium
Bosn
ia_H
erze
govi
na
Bulg
aria
Croa
tia
Czec
h_Re
publ
ic
Esto
nia
Finl
and
Fran
ce
Germ
any
Gree
ce
Hung
ary
Irela
nd
Italy
Latv
ia
Lith
uani
a
Luxe
mbo
urg
Mac
edon
ia
Mon
tene
gro
Mor
occo
Net
herla
nds
Nor
way
Pola
nd
Port
ugal
Rom
ania
Serb
ia
Slov
akia
Slov
enia
Spai
n
Swed
en
Switz
erla
nd
Tuni
sia UK
Installierte Stromerzeugungsleistung relativ zur Spitzenlast (GridOpt)
BioPower CCGT CSP GeoPower GT_NGas HydroRunOfRiver IC
Photovoltaic ST_Coal ST_Lignite ST_Nuclear WindOffshore WindOnshore Last
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 29
Spitzenlast
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Spitzenlast [GW]
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 30
Erste Ergebnisse (II)
-50%
50%
150%
250%
350%
450%
550%
650%
750%
GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt
France Germany Italy Poland Spain UK
Last
WindOnshore
WindOffshore
ST_Lignite
ST_Coal
Photovoltaic
IC
HydroRunOfRiver
GT_NGas
GeoPower
CSP
CCGT
BioPower
• Auswertung weiterer Szenarien
• + 6 Wetterjahre / 8 Lastjahre
• Bestimmung technologiespezifischer Verteilschlüssel
• Gegenüberstellung Kraftwerkspark mit e-Highway2050-Szenarien
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 32
Ausblick
Technologie Skalierungsfaktor (nutzbar) Skalierungsfaktor (Wunsch)
Wind Onshore, Wind Offshore, CSP, PV
Potentialanalysen (EnDAT) 50% heutige regionale Verteilung, 50% Potentiale
Biomasse Potentiale (DFD) Heutige regionale Kap.-Verteilung
Laufwasserkraft, Pumpspeicher, Speicherwasser
Grobe heutige Verteilung (altes PLATTS)
Heutige regionale Kap.-Verteilung
Stromnachfrage Einwohnerzahl Sektorspezifisch
• Analyse von Netzausbauszenarien mit: • Optimierungsmodell • Übertragungsnetzmodell (Lastflusssimulation)
• Modellkopplung
• Netzmodell→Energiesystgemmodell: „Leicht“ • Energiesystgemmodell→Netzmodell:
• Mapping • Fallunterscheidung • Verteilschlüssel
• Europäischer Kraftwerkspark
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 33
Zusammenfassung
Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao
Verteilschlüssel gesucht…
DLR.de • Folie 34
Fossile Strom-
erzeuger
Wärme-Erzeuger
Netz: DC-Load-Flow
Wärme-Speicher
H2-Erzeuger
fluk. EE-Srom-
erzeuger
Netz: Transport-
modell
Demand Response
E-Mobile
CO2-Emissio-
nen
Regelbare EE-Strom-erzeuger
Strom-Speicher
H2-Speicher
Strom-Bedarf
H2-Bedarf Wärme-Bedarf