DLSK-SH_Forschungsbeitraege5_20180126 Forschungsergebnisse 5 ZENTRUM FÜR NACHHALTIGE ENERGIESYSTEME (ZNES) April 2017 DRUCKLUFTSPEICHERKRAFTWERK SCHLESWIG-HOLSTEIN Untersuchung zur Eignung Schleswig-Holsteins als Modellstandort für die Energiewende Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein - Untersuchung zur Eignung Schleswig-Holsteins als Modellstandort für die Energiewende Autoren: Cynthia Boysen Heike Grotlüschen (GEO mbH, Langenhorn) Hauke Großer (GEO mbH, Langenhorn) Cord Kaldemeyer Ilja Tuschy Zentrum für nachhaltige Energiesysteme Hochschule / Europa-Universität Flensburg Kanzleistraße 91-93 24943 Flensburg Internet: www.znes-flensburg.de In Kooperation mit Gefördert durch die: Flensburg, April 2017 Forschungsergebnisse 5 ISSN: 2196-7164 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 3/190 Zusammenfassung Druckluftspeicherkraftwerke sind eine von mehreren Möglichkeiten, die Integration erneuerbarer Energien in die elektrische Energieversorgung zu verbessern. Für eine Region wie Schleswig-Holstein ist diese Aufgabe von besonderer Dringlichkeit, weil eine ineffiziente Ausnutzung der lokalen erneuer- baren Ressourcen die mögliche Wertschöpfung im Land einschränkt und die hierzulande mit hohem politischem Nachdruck verfolgte Energiewende behindert. Inwiefern ein Druckluftspeicherkraftwerk jedoch praktisch in Schleswig-Holstein realisierbar ist, hängt von verschiedenen geographischen, tech- nischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Das Ziel des durch das HWT-Programm der EKSH geförderten Projektes DLSK-SH ist es, die Perspektiven eines Druckluftspeicherkraftwerkes in Schleswig-Holstein umfassend zu evaluieren. In Kooperation mit der GEO mbH werden dazu die Aspekte der Standorteignung, der Technologiebewertung und der Wirt- schaftlichkeit untersucht. Methodisch erfolgt dies aus Sicht potentieller Akteure sowie unter Berück- sichtigung größtmöglicher Transparenz und Nachvollziehbarkeit. Schleswig-Holstein weist in Anlehnung an geologische Salzformationen 14 untersuchungswürdige Standorte auf. Nach deren multikriterieller, qualitativer Bewertung ergeben sich die vier Standorte Belmhusen-Kuden-Süderhastedt, Marne-Heide-Süderstapel, Oldenswort Nord und Osterby mit bester Eignung zur Druckluftspeicherung. Die weitere Standortplanung identifiziert die wichtigsten Planungs- schritte, Fristen und Meilensteine bezüglich bergbaurechtlicher Aspekte, Netzanschlussverfahren so- wie Kavernenherstellung und fasst diese in logischer Abfolge mitsamt Interdependenzen in einem für Schleswig-Holstein gültigen Fahrplan zusammen. Aus einer Vielzahl möglicher technischer Konzeptionen zur Druckluftspeicherung erweisen sich die bei- den diabaten Konzepte mit Rekuperator bzw. thermischem Speicher als aussichtsreichste Konfigurati- onen. Deren Bewertung auf Basis des simulierten optimalen Kraftwerkseinsatzes am Spot- und tertiä- ren Regelleistungsmarkt zeigt für die Jahre 2012 – 2014 eine betriebswirtschaftliche Machbarkeit auf. Entscheidend ist diesbezüglich die Ausrichtung des Einsatzes am Regelleistungsmarkt mit einem nach- rangigen Betrieb am Spotmarkt. Die wirtschaftlich optimierten Konzeptdimensionierungen weisen darauf hin, dass die praktische Ent- scheidung für ein technisches Konzept am Anwendungsfall ausgerichtet werden sollte. Werden eher kurzzeitige Speicherlösungen (1 h) benötigt, rentiert sich die Einbindung eines thermischen Speichers im diabaten Speicherkonzept. Das diabate Konzept mit Rekuperator profitiert hingegen bei mittleren Speicherkapazitäten von 9 – 13 h. Gemeinsam ist ihnen im optimierten Fall eine doppelt so hohe Ein- speicherleistung im Verhältnis zur Ausspeicherleistung. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 4/190 Die zukünftige Perspektive von Druckluftspeicherkraftwerken in Schleswig-Holstein ist stark abhängig von den strukturellen Veränderungen innerhalb des Energiesystems. Repräsentative Szenarien für die Jahre 2025 und 2035 zeigen durchschnittlich steigende Preise und Spreads am Spotmarkt, wohingegen Einsatzpotentiale am tertiären Regelleistungsmarkt schwinden. Unter diesen Voraussetzungen führt der Betrieb der simulierten Druckluftspeicherkraftwerke zu jährlichen Verlusten. Ohne Vergütung zu- sätzlicher Systemdienstleistungen, wie z.B. der Regelleistungsbereitstellung, ist also aus Sicht eines Betreibers kein wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten. Nichtsdestotrotz zeigt sich, dass Druckluftspei- cherkraftwerke für die Integration erneuerbarer Energien förderlich sind. Zusammenfassend können sowohl bezüglich der Standorteignung Schleswig-Holsteins als auch der technischen Umsetzbarkeit hohe Potentiale für Druckluftspeicherkraftwerke aufgezeigt werden. Die aktuellen Entwicklungen innerhalb des Energiesystems zeigen jedoch, dass die betriebswirtschaftliche Machbarkeit perspektivisch eine Herausforderung darstellt. Inwiefern die positive Wirkung auf die In- tegration erneuerbarer Energien zukünftig gefördert beziehungsweise diese Dienstleistung an Märk- ten honoriert wird, ist ausschlaggebend für die Technologieperspektive von Druckluftspeicherkraft- werken in Schleswig-Holstein. Nachfolgende Studien sollten daher untersuchen, welche Mechanismen die Divergenz zwischen ökonomischer und ökologischer Bewertung aufheben können. Dazu gehören Ansätze wie Speicherboni oder die Förderung der Kapazitätsvorhaltung am Regelenergiemarkt. Weil davon auszugehen ist, dass sich andere Speichertechnologien im gleichen Spannungsfeld bewegen, ist auch die Positionierung der Druckluftspeicherkraftwerke im Vergleich zu anderen Flexibilitäts- und Be- sicherungsoptionen zu untersuchen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 5/190 Inhalt Zusammenfassung................................................................................................................................... 3 Inhalt ....................................................................................................................................................... 5 1 Einleitung ........................................................................................................................................ 7 2 Methodik ........................................................................................................................................ 8 2.1 Zielsetzung ............................................................................................................................. 8 2.2 Vorgehen................................................................................................................................ 8 2.3 Berichtsstruktur ................................................................................................................... 13 3 Standort ........................................................................................................................................ 14 3.1 Potentielle Standorte ........................................................................................................... 14 3.2 Methodik .............................................................................................................................. 15 3.3 Bewertungsgrundlage und Rahmenbedingungen ............................................................... 17 3.4 Ergebnisse ............................................................................................................................ 26 4 Technologisches Spektrum ........................................................................................................... 33 4.1 Betrachtete Konzepte und Klassifizierung ........................................................................... 33 4.2 Methodik zur Konzeptvorauswahl ....................................................................................... 37 4.3 Ergebnisse der Konzeptvorauswahl ..................................................................................... 40 5 Betriebsmodell für Druckluftspeicherkraftwerke......................................................................... 44 5.1 Methodik .............................................................................................................................. 44 5.2 Modellierung........................................................................................................................ 45 5.3 Modellvalidierung ................................................................................................................ 53 6 Abbildung des Versorgungssystems ............................................................................................. 55 6.1 Methodik .............................................................................................................................. 55 6.2 Modellierung mit renpassG!S .............................................................................................. 57 6.3 Datengrundlage ................................................................................................................... 60 6.4 Modellvalidierung ................................................................................................................ 65 6.5 Resultierende Rahmendaten ............................................................................................... 68 7 Simulationsbasierte Technologiebewertung ................................................................................ 71 7.1 Methodik .............................................................................................................................. 71 7.2 Konzeptvergleich ................................................................................................................. 75 7.3 Kraftwerksdimensionierung................................................................................................. 80 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 6/190 7.4 Bedeutung der Märkte ........................................................................................................ 84 7.5 Entwicklung des Energiesystems ......................................................................................... 85 7.6 Systemischer Nutzen ........................................................................................................... 88 8 Diskussion der Ergebnisse ............................................................................................................ 91 8.1 Schlussfolgerungen .............................................................................................................. 91 8.2 Methodische Kritik ............................................................................................................... 95 8.3 Ausblick ................................................................................................................................ 96 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 97 Abbildungsverzeichnis ......................................................................................................................... 106 Tabellenverzeichnis ............................................................................................................................. 109 Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................ 110 Anhang ................................................................................................................................................ 113 A. Übersicht und Bewertung potentieller Standorte ............................................................. 113 B. Zeitplan der Standortplanung ............................................................................................ 115 C. Grundlagen zur Konzeptvorauswahl .................................................................................. 119 D. Thermodynamische und kraftwerkstechnische Grundlagen ............................................. 130 E. Beispielhafte Darstellung der Kraftwerkscharakteristiken ................................................ 134 F. Technische und wirtschaftliche Parametrierung der Kraftwerkskonzepte ....................... 138 H. Detaillierte Simulationsergebnisse für D_Rek und D_TES 2014, 2025 und 2035 .............. 146 I. Mathematische Beschreibung des Betriebsmodells ......................................................... 155 J. Modellierung des Versorgungssystems mit renpassG!S ................................................... 167 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 7/190 1 Einleitung Druckluftspeicherkraftwerke (DLSK) gehören zu den Technologien, die mit großer Kapazität und Leis- tung und durchaus auch über längere Zeiträume Energie speichern können. Ihre mögliche Rolle in Sys- temen zur elektrischen Energieversorgung ähnelt der von Pumpspeicherkraftwerken. Abbildung 1: Aufbau eines Druckluftspeicherkraftwerks Das Grundprinzip der Druckluftspeicherkraftwerke ist es, in Zeiten eines möglichen Überangebots Energie zu speichern, indem Luft aus der Umgebung angesaugt, verdichtet und in Kavernen oder an- dere Druckbehälter verpresst wird. Dieser Vorgang ist in Abbildung 1 auf der linken Seite dargestellt. Zum Entladen des Speichers wird die Druckluft aus der Kaverne in Turbinen entspannt, um bedarfsge- recht elektrische Energie bereitzustellen. Diese Betriebsweise findet sich im Bild rechts. Welchen konkreten Beitrag Druckluftspeicherkraftwerke so zur Netzintegration erneuerbarer Ener- gien in Zukunft leisten können, hängt allerdings davon ab, welche von verschiedenen denkbaren Kon- zepten sich nicht nur als technisch machbar, sondern dazu noch als unter den konkreten Randbedin- gungen wirtschaftlich tragbar erweisen. Gefördert durch das HWT-Programm der EKSH hat das ZNES in Kooperation mit der GEO mbH vor diesem Hintergrund eine Studie zur Eignung Schleswig-Holsteins als Standort für ein Druckluftspeicher- kraftwerk durchgeführt. Im Rahmen des Projekts DLSK-SH wurden die Aspekte Standortverfügbarkeit, Technik und Wirtschaftlichkeit untersucht. GEO bearbeitete dabei das erste der genannten Arbeitsfel- der, während im ZNES die beiden letztgenannten Bereiche behandelt wurden. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 8/190 2 Methodik 2.1 Zielsetzung Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Perspektiven eines DLSK in Schleswig-Holstein umfas- send zu evaluieren. Insbesondere soll festgestellt werden, welcher technische Ansatz am ehesten für diese Netzregion in Betracht kommt und ob ein aus Sicht eines potenziellen Betreibers wirtschaftlich attraktiver Betrieb zu erwarten ist. Grundsätzlich wird die Bewertung dabei aus Sicht potenzieller Akteure und nicht etwa nach volkswirt- schaftlichen Gesichtspunkten vorgenommen. Dieser Ansatz folgt dem Gedanken, dass ein konkretes Projekt nur dann realisiert wird, wenn es für einen Geldgeber einen wirtschaftlichen Nutzen verspricht. Nur ein tatsächlich realisierbares Projekt kann den gewünschten Beitrag zur Netzintegration der Elekt- rizitätserzeugung aus erneuerbaren Energien leisten. Darüber hinaus soll die Bewertung des Einzelprojektes auch hinsichtlich der unterstellten Randbedin- gungen größtmögliche Transparenz und Nachvollziehbarkeit aufweisen. Hier liegt insbesondere ein Unterschied zu Arbeiten von Versorgern und Netzbetreibern vor, die aus nachvollziehbaren Gründen keinen Einblick in ihre interne Modellierung von Erzeugung und Netzinfrastruktur geben möchten [1] [2]. Mit dem für das Projekt gewählten Ansatz ist das Vorgehen nicht nur bestmöglich auf die Bewer- tung anderer Standorte und Technologien übertragbar, sondern es wird außerdem anderen Arbeits- gruppen auch der Vergleich mit eigenen Arbeiten erleichtert. Die belastbare Bewertung der Perspektiven eines DLSK in Schleswig-Holstein erfolgt also aus methodi- scher Sicht über die Evaluation der Wirtschaftlichkeit unter besonderer Berücksichtigung der Struktu- ren des Energiesystems sowie der technischen Machbarkeit. Zusätzlich sollen im Sinne des Untersu- chungsziels aber auch andere mögliche Hindernisse einer Projektrealisierung identifiziert werden, wozu eine beispielhafte Standortgrobplanung durchgeführt wird. Der Beitrag eines solchen Kraftwerks zur verbesserten Nutzung erneuerbarer Energien ergibt sich aus den technischen Betriebsdaten einer wirtschaftlich attraktiven und praktisch umsetzbaren Option. 2.2 Vorgehen Mit Blick auf die skizzierten Ziele des Projektes erfolgt die Bewertung der Perspektiven für ein DLSK in Schleswig-Holstein mittels einer multidimensionalen Machbarkeitsuntersuchung. Die Bewertungsdi- mensionen Standort, Technologie und Wirtschaftlichkeit werden in entsprechenden Arbeitsschritten Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 9/190 analysiert und schließlich, wie in Abbildung 2 dargestellt, zu einer umfassenden Bewertung zusammen- geführt. Abbildung 2: Dimensionen der Bewertung im Projekt DLSK-SH Das methodische Vorgehen zur Bewertung der Attraktivität eines Druckluftspeicherkraftwerks in Schleswig-Holstein orientiert sich dabei an den folgenden Leitfragen: 1. Welche Standorte in Schleswig-Holstein eignen sich für Druckluftspeicherkraftwerke? 2. Welche Schritte sind zur Erschließung dieser Standorte notwendig? 3. Wie lang sind die zur Erschließung einzuplanenden Zeiträume? 4. Welche Druckluftspeichertechnologien kommen für eine Realisierung in Betracht? 5. Welches technische Konzept hat für Betreiber derzeit die größte Attraktivität? 6. Wie groß sollten installierte Leistungen und Speicherkapazitäten von Einzelanlagen sein? 7. Führt ein betriebswirtschaftlich orientierter Betrieb zum gewünschten Systemeffekt? 8. Welche Märkte sind für einen wirtschaftlichen Betrieb von Bedeutung? 9. Wie verändert sich die Bewertung durch einen steigenden Anteil erneuerbarer Energien? 10. Wie beeinflusst eine sich entwickelnde Netzstruktur den Speichereinsatz? 11. Wie robust ist die Bewertung hinsichtlich der Unsicherheit zukünftiger Szenarien? Die Fragen lassen sich dabei, wie oben geschehen, nach Ihrem Bezug auf die Standortsuche, die Tech- nologie und das umgebende Energieversorgungssystem gruppieren. In jedem dieser Bereiche können konkrete Arbeitsschritte zur Beantwortung der jeweiligen Fragen definiert werden. Eignung & Auswahl Grob- planung Standort Standort- verfügbarkeit Analyse & Auswahl Abbildung & Dimensionierung Technologie Technische Auslegung Berechnung von Einsatz & Ertrag Szenarien & Robustheit Wirtschaftlichkeit Wirtschaftliche Attraktivität Machbarkeit, Perspektive & Beitrag zur Netzintegration Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 10/190 Arbeitsschritte mit Bezug zur Standortsuche In einem ersten Arbeitsschritt sind mögliche Standorte für ein DLSK in Schleswig-Holstein zu identifi- zieren, wobei auf die Anbindung an das elektrische Netz ebenso zu achten ist wie auf die geologischen und geografischen Voraussetzungen, die für die Erschließung einer Kaverne notwendig sind. Unter den geeigneten Standorten ist eine Rangordnung festzulegen und zu begründen. Somit werden potentielle Optionen ermittelt, die als Modellstandorte für weitere Untersuchungen verwendet werden können. Die Festlegung auf nur einen konkreten DLSK-Standort kann im Rahmen dieses Projektes nicht erfol- gen, da die hierfür erforderlichen Untergrunduntersuchungen das zur Verfügung stehende Zeit- und finanzielle Budget um ein Vielfaches übersteigen würden. Es kann aber so eine Vorauswahl getroffen werden, welche Standorte in Schleswig-Holstein sich für ein Druckluftspeicherkraftwerk am ehesten anbieten würden. Danach ist mit Blick auf die potentiellen DLSK-Standorte in Schleswig-Holstein eine grobe Standortpla- nung durchzuführen. Dabei steht der Nachweis der generellen Machbarkeit im Vordergrund, während die zu einer Detailplanung gehörigen Aufgaben nur allgemein beschrieben werden sollen. Das gene- relle Vorgehen bei einer tatsächlichen Standortplanung ist zu skizzieren und erkennbare Herausforde- rungen zu identifizieren. Erscheinen darunter einzelne technische oder sonstige Punkte kritisch, sind diese im Sinne der generellen Machbarkeit zu bewerten. Die Grobplanung beinhaltet die allgemeine Prüfung und Ermittlung des planungsrechtlichen und ggf. des finanziellen Aufwands, der für die Entwicklung eines DLSK zu erwarten ist sowie die anschließende Übertragung dieses allgemeinen Ergebnisses –soweit möglich- auf die zuvor ermittelten potentiellen DLSK-Standorte. Als Ergebnis liegt dann ein Ablaufplan vor, aus dem sowohl die Planungsschritte als auch die zu erwartenden Zeitspannen hervorgehen. Technologiebezogene Arbeitsschritte Um die Frage zu klären, welche Technologiekonzepte im Grundsatz für ein Druckluftspeicherkraftwerk in Schleswig-Holstein in Betracht kommen, sollen zunächst in einer Vorauswahl von den vielen techni- schen Ansätzen für DLSK die aussichtsreichsten identifiziert werden. Die erste Bewertung der Konzepte erfolgt dabei qualitativ anhand verschiedener relevanter Kriterien, wie beispielsweise dem Wirkungs- grad und der technischen Machbarkeit. Somit ist das Ergebnis dieses Arbeitsschrittes die begründete Reduktion der verschiedenen Konzepte auf die im Rahmen des Projektes vertieft zu betrachtenden Varianten. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 11/190 Zur Identifikation des aus derzeit aus Betreibersicht attraktivsten Konzepts sind die zuvor identifizier- ten Technologien hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit vergleichend zu bewerten. Die betriebswirt- schaftliche Bewertung erfordert die Ermittlung eines Betriebsergebnisses, das auf einer Einsatzpla- nung eines DLSK im Energiesystem basiert. Der Kraftwerksfahrplan resultiert dabei aus einer Simula- tion des Kraftwerkseinsatzes auf Basis von Kraftwerkscharakteristiken und Marktpreiszeitreihen der Elektrizitätsversorgung. Abbildung 3 verdeutlicht diesen Zusammenhang mit den jeweiligen Informa- tionsflüssen. Der dargestellte Ablauf wird in einem Einsatzmodell für Druckluftspeicherkraftwerke um- gesetzt. Abbildung 3: Modellübersicht zur Einsatzplanung eines DLSK Die ausgewählten Kraftwerkskonzepte sind demnach zum Zweck der detaillierten Berechnung genauer abzubilden. Auf dieser Basis werden Kraftwerkscharakteristiken bereitgestellt, die zur Simulation des Kraftwerkseinsatzes im Versorgungssystem verwendet werden können. Die Gestalt der Kraftwerkscha- rakteristiken muss dabei einerseits ausreichend einfach sein, um die Simulation nicht unangemessen zu verkomplizieren. Dazu ist im besten Fall die allgemeine Form der Charakteristik für alle technischen Speicherkraftwerkskonzepte gleich. Andererseits muss die Unterschiedlichkeit verschiedener Kon- zepte abgebildet werden können. Auf Basis einer geeigneten Parametrisierung wird dann das Betriebs- verhalten der zuvor ausgewählten Konzepte durch die dazugehörigen Kraftwerkscharakteristiken re- präsentiert. Mit Hilfe dieser Kraftwerkscharakteristiken prognostiziert die Simulation der Konzepte im Energiesys- temmodell die jeweiligen Einsatzzeiten als auch damit einhergehende Erlös- und Kostenstrukturen. Im Ergebnis kann so eine betriebswirtschaftliche Bewertung mit dem Ziel der Auswahl des attraktivsten Konzeptes erfolgen. Weiter soll für das zuvor identifizierte attraktivste Kraftwerkskonzept eine Variation der technischen Dimensionierung mit Blick auf einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb erfolgen. Eine Optimierung des Konzepts im wissenschaftlich strengen Sinne ist mit Blick auf den Zeit- und Kostenrahmen des Projekts nicht möglich. Wohl aber kann eine strukturierte Variantenprüfung zur Identifikation einer günstigen Konfiguration führen. So können für die bevorzugte Kraftwerkskonfiguration nicht nur das generelle Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 12/190 Schaltungskonzept und die praxisgerechte Parametrisierung der Komponenten, sondern auch Leis- tungsklassen und Speicherkapazitäten ermittelt werden. Durch Kombination der Betriebsdaten des Druckluftspeicherkraftwerks mit den Einsatzdaten der übri- gen Erzeugungsanlagen im Versorgungssystem ist es schließlich auch möglich, eine Aussage über die Systemdienlichkeit des Anlagenbetriebs zu treffen. Arbeitsschritte mit Bezug zur Entwicklung des Versorgungssystems Das oben in seinen Grundzügen beschriebene DLSK-Einsatzmodellsoll es erlauben, den Betrieb ver- schiedener Kraftwerkskonzepte an unterschiedlichen Märkten zu optimieren. Um die Bedeutung von Spot- und Regelenergiemarkt für den wirtschaftlichen Betrieb von Druckluftspeicherkraftwerken zu untersuchen, können zunächst historische Marktdaten verwendet werden. Sie liefern die für das Ein- satzmodell nötigen Preiszeitreihen unterschiedlicher Märkte. Zur Fortschreibung des Versorgungssystems ist es dann notwendig, dieses ebenfalls modellhaft abzu- bilden. Die Simulation des Versorgungssystems wird mit dem am Zentrum für nachhaltige Systeme unter Einsatz von Open-Source-Software entwickelten Simulationsmodell renpassG!S durchgeführt, welches das zuvor genutzte Simulationsmodell renpass (Renewable Energy Pathways Simulation Sys- tem) ersetzt. Mit Hilfe dieses Modells können stündlich aufgelöste Daten zum Einsatz und Status un- terschiedlicher Erzeuger im betrachteten Energieversorgungssystem, zu Im- und Exporten zwischen einzelnen Netzregionen sowie daraus resultierende Großhandelspreise gewonnen werden. Die Schnittstelle zwischen dem DLSK-Einsatzmodell und dem Simulationsmodell des Versorgungssystems wird durch die Preiszeitreihen gebildet. Das erlaubt die an die jeweilige Einsatzzeit gekoppelte Weiter- führung der skizzierten Daten und ermöglicht somit die Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer kon- kreten Kraftwerksanlage im Energieversorgungssystem. Mit Hilfe von renpassG!S soll die Systemfunktion eines Druckluftspeicherkraftwerks für die Energiever- sorgung in Schleswig-Holstein dann in verschiedenen Erzeugungsstrukturen beleuchtet werden. Dazu wird der Betrieb in mehreren Szenarien, die jeweils einen unterschiedlichen Anteil erneuerbarer Ener- gien an der Stromerzeugung abbilden, analysiert. So lässt sich die Frage beantworten, welchen Einfluss ein steigender Anteil erneuerbarer Energien im Versorgungssystem auf die Bewertung von Druckluft- speicherkraftwerken hat. Um die Bedeutung von Veränderungen der Netzstruktur für den Betrieb von Druckluftspeicherkraft- werken zu untersuchen, werden weiter auch Varianten des Netzausbaus in entsprechenden Simulati- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 13/190 onen berücksichtigt. Die Erhöhung der Im- und Exportkapazitäten zwischen den verschiedenen Netz- regionen schließt beispielsweise auch die Möglichkeit des Zugriffs auf Pumpspeicherkraftwerke in an- deren Netzregionen mit ein. Ebenso wie die Szenarien mit veränderter Erzeugungsstruktur werden die Varianten bei veränderter Netzstruktur um weitere Variationen der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ergänzt und als Grundlage der Bewertung der Robustheit des wirtschaftlichen Ergebnisses verwendet. Mit Blick auf den Untersuchungsumfang kann die Beleuchtung solcher Szenarien nicht für alle Kraftwerkskonzepte erfolgen. Daher wird hierfür nur das wirtschaftlich aussichtsreichste Konzept herangezogen. 2.3 Berichtsstruktur Die techno-ökonomische Technologiebewertung basiert demnach auf der Anwendung des im Rahmen des Projekts entwickelten Einsatzmodells. In diesem fließen technische Eigenschaften der untersuch- ten Druckluftspeicherkraftwerke mit den wirtschaftlichen Randbedingungen des umgebenden Versor- gungssystems zusammen. Die standortbezogenen Untersuchungen können aber ebenso wie die erste Einschränkung des technologischen Untersuchungsrahmens unabhängig davon vorgenommen wer- den. Daher werden im vorliegenden Bericht zunächst im Kapitel 3 die Fragen zur Standortidentifikation und -erschließung behandelt und anschließend im Kapitel 4 das technologische Spektrum des Untersu- chung auf die Konzepte eingegrenzt, die für Betreiber von näherem Interesse sind. Weil nach diesem Arbeitsschritt das zentrale Einsatzmodell benötigt wird, werden in den Kapiteln 5 und 6 die Modellan- sätze für den Anlagenbetrieb und das umgebende Versorgungssystem dargelegt. In allen zuvor ge- nannten Kapiteln wird anfänglich die jeweilige Methodik weiter ausdifferenziert. Im Kapitel 7 folgt dann die integrierte techno-ökonomische Analyse im zuvor aufgespannten Untersu- chungsfeld. Deren Ergebnisse werden schließlich in Kapitel 8 mit den übrigen Erkenntnissen in einer abschließenden Diskussion zur integrierten multidimensionalen Bewertung der Chancen für ein Druck- luftspeicherkraftwerk in Schleswig-Holstein zusammengefasst. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 14/190 3 Standort Folgend werden zunächst die untersuchungswürdigen potentiellen DLSK-Standorte innerhalb Schles- wig-Holsteins skizziert. Der anschließende Abschnitt umfasst das methodische Vorgehen zur multikri- teriellen Standortbewertung, auf dessen Grundlage die Standortauswahl durchgeführt wird. Darauf- folgend wird die Methodik zur Standortgrobplanung skizziert. 3.1 Potentielle Standorte Grundsätzliche Voraussetzung für die Errichtung eines Druckluftspeicherkraftwerks ist die Möglichkeit, im geologischen Untergrund des Standorts eine Kaverne herzustellen, in der die zu- und abzuführende Druckluft gespeichert wird. Die hierfür erforderlichen Salzformationen sind in Schleswig-Holstein weit verbreitet. Der Geologische Dienst des Landesamts für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR) hat in einer Karte die untersuchungswürdigen Horizonte zur An- lage von Salzkavernen zur Speicherung von Druckluft veröffentlicht [3]. Diese Potentialkarte (Anhang A) basiert nicht auf konkreten Untergrunduntersuchungen, sondern auf den dem Amt vorliegenden allgemeinen Karten und Erkenntnissen zu den Salzformationen im Untergrund Schleswig-Holsteins. Die aus der Potentialkarte [3] untersuchungswürdigen Horizonte wurden in 14 Standorte aufgeteilt und sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Nummerierungen sind in der Karte im Anhang A wiederzufinden. Bei den Standorten handelt es sich nicht immer um einzelne Gemeinden oder Städte, sondern teilweise auch um ein Gebiet, welches sich entlang mehrerer Gemeinden erstreckt. Dies ist dem Umstand ge- schuldet, dass sich die untersuchungswürdigen Horizonte ebenfalls über diese Distanzen erstrecken, da die relevanten Salzformationen in der Regel als Salzstock oder –mauer meist in Nord-Süd Ausrich- tung im Untergrund liegen. Nur vereinzelt werden potentiell geeignete Kavernenstandorte an lokal begrenzten Orten vermutet, weil die Salzformationen dort eine alleinstehende Erhebung im Salz er- warten lassen. Die Größen der untersuchungswürdigen Horizonte unterscheiden sich teilweise deutlich voneinander. Ob eine Salzformation als untersuchungswürdig gilt, wurde vom LLUR lediglich anhand von bekannten Tiefenlagen der Salzstockdächer und den geschätzten Abmaßen festgelegt. Dabei gelten Salzstöcke bis zu einer Tiefenlage des Salzstockdachs von 800 m u. NHN als geeignet. Hinzu kommt, dass die teilweise komplex geformten Salzformationen im Flankenbereich Überhänge besitzen, sodass sich im Quer- schnitt der Formation ein pilzartiges Dach ergibt. Da sich diese Überhänge nicht für eine Aussolung zwecks Kavernenbaus eignen, wurden von den grundsätzlich breiten Salzformationen an den Standor- ten teilweise Pufferbereiche zum Rand des jeweiligen Salzstocks berücksichtigt, wenn keine näheren Erkenntnisse über den weiteren Verlauf der Formation unterhalb des Salzstockdachs vorlagen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 15/190 Tabelle 1: Übersicht der bewerteten Salzformationen Nr. Salzformation 1 Belmhusen-Kuden-Süderhastedt 2 Bramstedt 3 Elmshorn 4 Föhrden-Hamdorf-Oldenbüttel Süd 5 Lägerdorf-Krempe 6 Marne-Heide-Süderstapel 7 Oldenswort Nord 8 Osterby 9 Quickborn 10 Schwedeneck 11 Segeberg-Sülfeld 12 Sievershütten 13 Sterup 14 Westensee-Eisendorf-Gnutz-Meezen-Peissen 3.2 Methodik Standortbewertung Die Standortauswahl basiert auf einer multikriteriellen Bewertung. Für die Festlegung der Kriterien wurden die maßgeblichen Einflussfaktoren identifiziert, die für die Erschließung und den Betrieb der Kaverne und des Kraftwerks von Bedeutung sind. Anhand von 7 Bewertungskriterien werden Abschät- zungen getroffen, in welchem Maße die vom LLUR vorgeschlagenen untersuchungswürdigen Hori- zonte als Druckluftspeicherkraftwerke geeignet sind. Hierzu wird versucht, für die jeweiligen Standorte je Kriterium mehrere Fragen zu beantworten, die zum einen den geologischen Untergrund (Salzstruk- tur, Nutzungsrechte) und zum anderen den überirdischen Standort und die erforderliche Infrastruktur (z.B. Netzanschluss, Abtransport Sole) betreffen. In Tabelle 2 sind die verschiedenen Bewertungskrite- rien aufgelistet. Jedem Kriterium wurde eine Gewichtung zwischen 1 und 3 in Schritten von 0,5 zugeteilt, da einige Kriterien von größerer Bedeutung sind als andere. Die Möglichkeiten zum Abtransport der Sole sind etwa von höherer Bedeutung, als die „weichen“ Standortfaktoren, die unter den weiteren Standort- faktoren zusammengefasst sind. Neben der unterschiedlichen Bedeutung der Kriterien ist außerdem die Verfügbarkeit von Daten oder Angaben zur Beantwortung der Fragen von unterschiedlicher Quali- tät. Solche Kriterien (z.B. Anbindung an das Gasnetz) werden daher mit einem geringeren Faktor ge- wichtet. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 16/190 Jedem Standort wurden im Laufe der Untersuchungen je Kriterium zwischen 0 und 10 Punkte zugeteilt. Die Gesamtpunktzahl für einen Standort ergibt sich aus der Summe der Multiplikation von Kriterien- gewichtung und der jeweiligen Punktezahl. Die maximal erreichbare Punktzahl je Standort beläuft sich auf 130 Punkte. Die Gewichtung sowie die Bewertungsgrundlage der einzelnen Kriterien werden in Anschnitt 3.3.1 näher erläutert. Zur Bewertung der Kriterien wurden im Wesentlichen öffentlich zu- gängliche Dokumente und Karten herangezogen und auf deren Basis eine stichpunktartige Beschrei- bung in die Matrix aufgenommen. Nach diesem Vorgehen ergibt sich eine Rangfolge der Standorte bezüglich ihrer Eignung für ein DLSK nach relevanten Kriterien. Tabelle 2: Übersicht der Bewertungskriterien Kriterium Fragestellung Gewichtung Salzstruktur Wie geeignet ist die Salzformation hinsichtlich Abmaßen, Ausbreitung, Lage? 2,0 Nutzungsrechte Salzstock Gibt es im Bereich der Salzformationen bereits verge- bene Altverträge, Bergwerkseigentum, Bewilligungen o- der Erlaubnisse? 1,5 Netzanbindung Wie ist die Situation des öffentlichen Strom-HS- und ÜN- Netzes vor Ort? Ist Speicherbedarf erkennbar? 2,0 Erzeugungsanlagen Strom Welche (regenerativen) Erzeugungsanlagen gibt es in (unmittelbarer) Umgebung oder sind zu erwarten? 2,5 Anbindung Gasnetz Wie ist die Situation des öffentlichen Gasnetzes vor Ort? (Anschlussmöglichkeiten etwaiges Gaskraftwerk) 1,0 Abtransport Sole Welche Entsorgungsmöglichkeiten gibt es für die Sole während der Erschließungsphase? 3,0 Weitere Standortfaktoren Wodurch ist der Untersuchungsraum geprägt? Gibt es unvereinbare Flächennutzungen? 1,0 Standortgrobplanung Die Standortgrobplanung umfasst eine strukturierte Aufstellung der einzelnen Planungsschritte mitsamt planungsrechtlich relevanter Grundlagen und möglichen Herausforderungen innerhalb des Prozesses. Für die Ermittlung der rechtlichen Rahmenbedingungen konnte teilweise auf vergangene Tätigkeiten von GEO im Bereich der bergbaurechtlichen Antragsstellung sowie der Netzanschlussverfahren zurückgegriffen werden. Da diese Themenfelder einer kontinuierlichen, juristischen und organisatorischen Überarbeitung unterliegen, ging es auch darum, etwaige rechtliche Novellierungen zu identifizieren und mit zu berücksichtigen. Bezüglich der Verfahrensbeschreibung für die Kavernenherstellung standen ebenfalls Unterlagen aus vorangegangenen Tätigkeiten zu diesem Themenkomplex zur Verfügung. Zum Teil stammen diese aus einer projektbezogenen Zusammenarbeit mit dem Kavernenbauunternehmen KBB Underground Technologies GmbH sowie aus weiteren Informationen von KBB, die entweder im Internet frei verfügbar angeboten werden oder sich aus einem Gespräch mit einem KBB Mitarbeiter ergaben. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 17/190 Auf Basis der zu berücksichtigenden Rechtsvorschriften und Richtlinien gelten für einzelne Arbeits- schritte Anforderungen und Bestimmungen, die sich zum einen auf die Qualität der zu erreichenden Ergebnisse und zum anderen auf den zeitlichen Ablauf der Verfahren beziehen. Die sich so ergebenden Fristen und Meilensteine werden zunächst für jeden Bereich im Einzelnen aber auch im Zusammen- hang mit den anderen Bereichen dargestellt. Da es bezüglich der zeitlichen Abfolge zu Interdependen- zen zwischen den Bereichen kommt, ergibt sich somit ein grober Zeitplan für das Verfahren, welches an die Festlegung auf einen Kraftwerkstyp und einen Standort anknüpft und bis zur Herstellung und Inbetriebnahme des Kavernenspeichers dauert. Der Bezug zu den zuvor identifizierten potentiellen Standorten wird dort hergestellt, wo die jeweiligen Standorte besondere Merkmale mit Blick auf das Antrags- und Herstellungsverfahren besitzen. So kann auf bestehende Vorteile oder Nachteile bestimmter Standorte für eine etwaige, folgende Realisierung eines DLSK im Rahmen dieses Projektes bereits hingewiesen werden. Im Abschnitt 3.3.2 werden die wichtigsten Rahmenbedingungen zu den bergbaurechtlichen Voraus- setzungen, dem Netzanschlussverfahren und der Herstellung der Kaverne erläutert. 3.3 Bewertungsgrundlage und Rahmenbedingungen Standortbewertung Salzstruktur Zur Bewertung der Beschaffenheit und Eignung der Salzstruktur wurde im Wesentlichen auf die Poten- tialkarte des Landesamts für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein (LLUR) [3] zurückgegriffen. Nur vereinzelt lagen weitere Erkenntnisse über die geologische Beschaffenheit des Untergrunds vor. Für den Standort Belmhusen etwa liegen Erkundungsbohrungen aus den Jahren 1938 und 1973 vor, die eine grundsätzliche Eignung des Salzstocks stützen. Da genauere Informationen zu den Salzstöcken aufwendigen Bohrungen und Untersuchungen bedürfen, wurden zur Bewertung der Salzstruktur hauptsächlich die Ausdehnungen der untersuchungswürdigen Horizonte betrachtet. Je größer die Salzstruktur ist, so die Annahme, desto wahrscheinlicher ist es, im Untersuchungsbereich eine Stelle zu finden, die sich zur Kavernenherstellung eignet. Je kleiner die Formation, desto eher kann sich der Standort nach nur einer geologischen Untersuchung mit negativen Ergebnissen als ungeeignet herausstellen. Da die Datenverfügbarkeit für die Bewertung der Salzstruktur begrenzt ist, das Kriterium jedoch als wesentlich einzustufen ist, wird eine mittlere Gewichtung von 2,0 angesetzt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 18/190 Nutzungsrechte Salzstock Der Kavernenbau im geologischen Untergrund unterliegt dem Bergbaurecht. Etwaige Konzessionen oder Genehmigungen für Arbeiten oder Untersuchungen werden in diesem Zusammenhang vom Lan- desamt für Bergbau, Energie und Geologie in Clausthal-Zellerfeld (LBEG) vergeben. Dabei wird unter- schieden zwischen Erlaubnissen, Bewilligungen und Bergwerkseigentum. Während eine Erlaubnis zur Aufsuchung von Bodenschätzen noch nicht zur tatsächlichen Aufsuchung oder gar zur Gewinnung be- rechtigt, gilt eine Bewilligung als Genehmigung für eine konkrete Handlung zum Abbau von Boden- schätzen. Alternativ zur Bewilligung berechtigt auch ein Bergwerkseigentum zur Gewinnung und zum Abbau mit dem Unterschied, dass dieses Recht sogar an einen Dritten verliehen werden kann. In Schleswig-Holstein gibt es mehrere, großflächig Bereiche, für die entweder Erlaubnisse oder Bewil- ligungen erteilt wurden. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Erlaubnisse zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl oder Erdgas), die insbesondere mit Blick auf mögliches Fracking erteilt wurden. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass die Gewinnung von Erdöl oder Erdgas nicht in denselben Bereichen erfolgt wie die Herstellung von Salzkavernen. Aus diesem Grund widersprechen bestehende Erlaubnisse oder Bewilligungen im Untersuchungsraum einem potentiellen DLSK zunächst nicht. Aller- dings ist davon auszugehen, dass einer Genehmigung für (Probe-) Bohrungen an den Standorten zu- nächst eine rechtliche Einigung bzw. Auseinandersetzung mit den Inhabern der Erlaubnisse und Bewil- ligungen vorangehen muss. An den Standorten Belmhusen und Segeberg gibt es ein vergebenes Bergwerkseigentum für Steinsalze. An diesen Standorten kann es ggf. sogar zu einer Kooperation mit den Rechteinhabern kommen, so- lange auf deren Seite ein Interesse an der Verwertung der Salzsole besteht, die beim Aussolen der Kaverne entsteht. Wegen der unklaren Rechtslage durch erteilte Erlaubnisse und Bewilligungen, die größtenteils einem Kavernenbau grundsätzlich jedoch nicht entgegenstehen, wird dieses Kriterium mit einem Faktor von 1,5 gewichtet. Netzanbindung Wesentliches Ziel eines Druckluftspeicherkraftwerks soll es sein, bei zunehmendem Anteil von erneu- erbaren Energien an der bundesweiten Stromproduktion das zwangsläufig ebenfalls zunehmend fluk- tuierende Energieangebot durch flexible Regelleistung zu verstetigen und somit einen Beitrag zur si- cheren und stabilen Stromversorgung zu leisten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein Ausgleich von Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 19/190 Erzeugung und Nachfrage nicht nur lokal oder regional zu erfolgen hat, sondern auch über größere Distanzen des Übertragungsnetzes hinaus. Bei der Bewertung der Netzanbindung des DLSK werden deshalb die derzeitigen und zukünftig zu er- wartenden Strukturen und Auslastungen des Hoch- und Höchstspannungsnetzes in Schleswig-Holstein betrachtet. Gute Bedingungen liegen dann am betrachteten Standort vor, wenn die Anbindung an die beiden Netzebenen in kurzen Distanzen realisierbar erscheint. Gerade eine Anbindung an Übertra- gungsnetze verspricht die Option, Regelenergie auf großen Distanzen und vor allem auch in größerem Leistungsumfang anbieten zu können. Da es sich bei einem DLSK nicht nur um ein reines Erzeugungskraftwerk handelt, sondern der wesent- liche Zweck darin besteht, auch negative Flexibilität anbieten und somit überschüssige Energie aus dem Netz abnehmen zu können, wurde es den Standorten positiv angerechnet, wenn im umgebenden Übertragungsnetz einen erkennbaren Bedarf an flexibler Bezugsleistung gibt. Die derzeitige Netzsitu- ation zeigt insbesondere im Bereich der Westküste einen erheblichen Engpass auf, da die dort instal- lierte hohe Erzeugungsleistung bei gleichzeitig geringem Bedarf in diesem Gebiet bereits heute teil- weise nicht über die bestehende Netzinfrastruktur abgeführt werden kann. Zur Feststellung, in wel- chen Bereichen mit Engpässen in den nächsten Jahren zu rechnen ist, wurden Angaben des hiesigen Netzbetreibers Schleswig-Holstein Netz AG herangezogen [4]. Die Netzanbindung ist an fast allen Standorten gegeben. Verlässliche Abschätzungen über den Re- gelenergiebedarf an einzelnen Netzknotenpunkten können höchstens für die nächsten 7 Jahre getrof- fen werden. Auf Grund dieser Datenunsicherheit wird dem dennoch wichtigen Kriterium ein Faktor von 2 zugewiesen. Erzeugungsanlagen Strom Wie zuvor erwähnt ist der Einsatz eines regelbaren Speicherkraftwerks insbesondere dort sinnvoll, wo eine hohe, schwankende Einspeisung durch erneuerbare Energien besteht. Vor diesem Hintergrund bieten Standorte mit einer hohen Anschlussleistung von erneuerbaren Energien, ähnlich wie beim Netz, einen Vorteil gegenüber Standorten mit wenig bis gar keiner fluktuierenden Einspeiseleistung. Sowohl das DLSK als auch die EE-Anlagen können durch Kombination miteinander somit ggf. auf hö- here Betriebsstunden kommen, als ohne die Möglichkeit der Leistungsregelung durch das DLSK. Zur Bewertung des EE-Potentials wurden sowohl bestehende Windenergieanlagen als auch potentielle neue Standorte anhand der Regionalpläne und der dort ausgewiesenen Eignungsräume für Windener- gieanlagen herangezogen. Als Grundlage galten in diesem Zusammenhang die Regionalpläne nach der Teilfortschreibung Wind aus dem Dezember 2012. Das nach der Bewertung erlassene Urteil des OLG Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 20/190 Schleswig (1 KN 6/13 vom 20.01.2015), welches diese Regionalpläne für ungültig erklärt, hat keinen Eingang in die Bewertung gefunden. Mit Blick auf das Ziel des Projektes, die Möglichkeiten eines DLSK gerade in Kombination mit dem Aus- bau erneuerbarer Energien zu betrachten, wird dieses Kriterium mit einem Faktor von 2,5 angesetzt. Anbindung Gasnetz Je nach Wahl der DLSK-Technologie kann es sinnvoll oder erforderlich sein, eine Zufeuerung durch Erdgas in das Kraftwerk zu integrieren. Zu diesem Zweck ist eine gute Anbindung an das Erdgas-Vertei- lungs- oder Übertragungsnetz erforderlich. Da zu dem öffentlichen Gasnetz kaum verlässliche Daten verfügbar waren und mit Ausnahme der Standorte Marne-Heide-Süderstapel und Belmhusen-Kuden-Süderhastedt auch keine wesentlichen Gas-Kraftwerke oder Anlagen bekannt waren, wurde dieses Kriterium mit dem kleinsten Faktor 1 ge- wichtet. Abtransport Sole Der Abtransport der Sole stellt das wesentliche Kriterium für die Erschließungsphase der Kaverne dar. Bei der Herstellung der Kaverne mit einem Volumen zwischen 200.000 m² und 800.000 m² kann der Prozess der Aussolung bis zu 2-3 Jahre dauern. In der Regel wird die durch Ausspülung mit Frischwasser gewonnene Sole über Pipelines in das Meer gespült. Alternativ kann der Abtransport auch zu anderen Standorten (z.B. Chemieindustrie) erfolgen, wenn dort ein entsprechender Bedarf besteht. Der Zeit- aufwand für den Bau einer Pipeline beträgt ungefähr ein Jahr, wobei die privatrechtliche Sicherung der Trassenführung ein wesentlicher Aspekt ist. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist eine Solung mittels Pipelines bis zu einer Entfernung von 50 km zwischen Kaverne und Meer bzw. Entsor- gungsstelle sinnvoll [5]. In Schleswig-Holstein kommt bei der Entsorgung der Sole erschwerend hinzu, dass an der Westküste die Einleitung von Sole in die Nordsee nur außerhalb des Nationalpark Wattenmeers erfolgen darf. Die zu überbrückenden Abstände von den untersuchten Standorten verlängern sich somit zusätzlich. Die Entfernungen zur Nord- oder Ostsee wurden beim Kriterium Abtransport Sole als wesentliche Punkte bewertet, da konkret Informationen über alternative Verwendungsmöglichkeiten in der Industrie nicht vorliegen und im wesentlichen Teil von Schleswig-Holstein ohnehin nicht zu erwarten sind. Aufgrund der hohen Bedeutung der Abtransportmöglichkeiten wurde dieses Kriterium mit dem maxi- malen Faktor von 3 gewichtet. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 21/190 Weitere Standortfaktoren Unter diesem Kriterium wurden hauptsächlich sogenannte weiche Faktoren berücksichtigt. Diese be- treffen strukturelle Merkmale des Standorts, wie etwa Vorbelastung der Landschaft durch Industrie, Siedlungsentwicklung, Landwirtschaft, Naturschutzgebiete o.ä. Diese Punkte stellen für sich keine Aus- schlusskriterien für die Errichtung eines Kraftwerks dar, können in einigen Fällen jedoch die Ansiedlung einer solchen industriellen Anlage erschweren oder erleichtern. Aufgrund der nebensächlichen Bedeutung dieser Faktoren wird das Kriterium mit 1 gewichtet. Standortgrobplanung Bergbauliche Voraussetzungen • Hintergrund Bei der Herstellung von unterirdischen Salzkavernen ist das Bundesberggesetz (BBergG) anzuwenden. Das Bergrecht unterscheidet zwischen grundeigenen und bergfreien Bodenschätzen. Während grund- eigene Bodenschätze im Eigentum des jeweiligen Grundeigentümers stehen, erstreckt sich das Eigen- tum eines Grundeigentümers nicht auf die unterhalb seines Grundstücks befindlichen bergfreien Bo- denschätze. Im Rahmen der Kavernenherstellung erfolgt durch das Aussolen die Gewinnung von Salzen bzw. Sole, die gemäß § 3 Abs. 3 BBergG zu den bergfreien Bodenschätzen gezählt werden. Das Aufsuchen bzw. die Gewinnung von bergfreien Bodenschätzen erfordert deshalb einen Antrag auf Erteilung einer Erlaubnis bzw. Bewilligung bei der zuständigen Behörde. Mit einer Erlaubnis nach § 7 BBergG ist ausschließlich das Aufsuchen zulässig, also Erkundungsarbeiten, bei denen festfestge- stellt werden soll, ob in einem bestimmten unterirdischen Bereich die erwartete Gewinnung eines be- stimmten Bodenschatzes möglich ist. Hingegen wird mit einer Bewilligung nach § 8 BBergG auch das Recht gewährt, die bestimmten Bodenschätze zu gewinnen und das Eigentum daran zu erwerben. Eine Erlaubnis führt für den Antragssteller nicht automatisch zu einer zeitlich unbegrenzten Sicherung seiner bergbaulichen Interessen. Vielmehr ist die Genehmigung der Bergbehörde mit diversen Bedin- gungen verknüpft; insbesondere enthält sie Anforderungen an den zeitlichen Umfang der genehmig- ten Arbeiten und legt Fristen fest, innerhalb derer bestimmte Verfahrensschritte durchgeführt werden müssen. Durch diese Auflagen wird sichergestellt, dass den Anträgen die erforderliche Ernsthaftigkeit und Verbindlichkeit zu Grunde liegt und die Bergbauberechtigung nicht zu einer reinen Blockierung der bergfreien Bodenschätze gegenüber Dritten führt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 22/190 Wer bereits Inhaber einer Bewilligung für ein bestimmtes Feld und die Bodenschätze ist, hat die Mög- lichkeit, die Verleihung von Bergwerkseigentum an diesem Feld zu beantragen. Das Bergwerkseigen- tum umfasst dieselben Rechte wie eine Bewilligung. Durch die Verleihung des Eigentums wird dem Feld allerdings ein rechtlicher Status vergleichbar dem eines Grundstücks zugeteilt. So ist zum Beispiel auch eine Veräußerung des Eigentums nach § 23 BBergG möglich. Die Erlaubnis bzw. Bewilligung allein berechtigt noch nicht zur Errichtung und Führung eines Aufsu- chungs- bzw. Gewinnungsbetriebs. Die zum Betrieb gehörenden Tätigkeiten und Einrichtungen sind gesondert von der zuständigen Behörde in Form eines Betriebsplans zu genehmigen. Die entsprechen- den Unterlagen und Dokumentation sind vom Antragsteller vorzulegen. • Antrag Die für Schleswig-Holstein zuständige Bergbehörde ist das Landesamt für Bergbau, Energie und Geo- logie (LBEG) in Hannover. Die dem niedersächsischen Wirtschaftsministerium nachgeordnete Fachbe- hörde bescheidet über die Anträge auf Erlaubnis bzw. Bewilligung nach den Richtlinien, die vom Wirt- schaftsministerium Niedersachsen im Runderlass zur „Erteilung von Erlaubnissen und Bewilligungen nach dem Bundesberggesetz“ aufgestellt und veröffentlicht wurden und u.a. eine Konkretisierung der §§ 11, 12 BBergG darstellt. Die im Runderlass und seinen Anlagen enthaltenen Vorgaben und Fristset- zungen knüpfen an die zuvor genannte Zielsetzung an, nur verbindliche und realisierbare Vorhaben zu genehmigen. Die Anlage 1 zum o.g. Runderlass legt (in Verbindung mit § 11 BBergG) die Bedingungen für den Antrag auf Erteilung einer Erlaubnis fest, in Anlage 2 werden (in Verbindung mit § 12 BBergG) die Anforderun- gen für Anträge auf Erteilung einer Bewilligung definiert. Wesentlicher Bestandteil bei Anträgen nach Anlage 1 und Anlage 2 ist die Aufstellung eines Arbeitsprogramms. Das Arbeitsprogramm ist ein ent- scheidendes Kriterium bei der Abwägung der Genehmigungsbehörde und muss daher schlüssig und detailliert ausgearbeitet sein. Aus ihm geht hervor, welche Arbeitsschritte in welchem Umfang und zu welchem Zweck durchzuführen sind, und es stellt dar, dass die Arbeiten mit Blick auf die Größe des beantragten Felds in einem angemessenen Zeitraum bzw. bei Bewilligungen im gesamten Feld durch- geführt werden können. Eine Erlaubnis für Aufsuchungsarbeiten wird für einen befristeten Zeitraum von höchstens 5 Jahren erteilt. Die Gültigkeitsdauer von Bewilligungen für die Gewinnung von Boden- schätzen ist vom Umfang und Aufwand der Gewinnung abhängig und kann 50 Jahre und ggf. mehr betragen. Da bei Aufsuchungsarbeiten vor der Durchführung noch Unsicherheiten bestehen, ob die zu gewin- nenden Bodenschätze überhaupt vorhanden bzw. förderbar sind, hat sich der Antragsteller dazu zu Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 23/190 verpflichten, der Genehmigungsbehörde nach Abschluss der Arbeiten die Ergebnisse der Arbeiten vor- zulegen. Bei Anträgen auf Bewilligung ist der Nachweis, dass die Bodenschätze tatsächlich im bean- tragten Feld vorhanden sowie nach Lage und Beschaffenheit gewinnbar sind, hingegen bereits im Vor- feld zu erbringen. Die tatsächliche Fundstelle der Bodenschätze ist der Genehmigungsbehörde unter Angabe ihrer Lage und Tiefe wiederum nach Abschluss der Arbeiten mitzuteilen. Neben den genannten zu erbringenden Nachweisen über die Eignung des beantragten Feldes für die vorgesehene bergbauliche Nutzung ist die fachliche und finanzielle Präqualifikation des Antragsstellers sowohl bei Anträgen auf Erlaubnis als auch bei denen auf Bewilligung vorab durch entsprechende Nachweise zu belegen. Die fachliche Eignung bzw. die technische Leistungsfähigkeit des Antragsstellers ist etwa durch Dokumentation bereits erfolgter bergbaulicher Tätigkeiten in den vergangenen 5 Jah- ren, durch Auflistung der zur Verfügung stehenden Geräte und technischen Ausrüstung und/oder durch schlüssige Beschreibung der geplanten Maßnahmen nachzuweisen. Für den Nachweis der finan- ziellen Präqualifikation sind die zur Verfügung stehenden finanziellen Mittel, Kredite oder Zuschüsse beispielsweise durch Bankauskünfte, Kreditzusagen, Förderbescheide oder ähnliches glaubhaft darzu- legen. Nach Erteilung der Erlaubnis oder der Bewilligung hat der Antragsteller der Genehmigungsbehörde einen Betriebsplan vorzulegen, in dem die vorgesehenen Arbeiten und Einsätze von Geräten und Tech- nik (kurz: der vorgesehene Betrieb) im Detail dargestellt werden. Die Genehmigungsbehörde wird so in die Lage versetzt die Auswirkungen des Betriebes abzuschätzen und auf dieser Grundlage zum Bei- spiel die Anforderungen an eine etwaige erforderliche Umweltverträglichkeitsprüfung des Vorhabens festzulegen. Der Betriebsplan ist gemäß § 55 BBergG zu genehmigen, solange keine negativen Auswir- kungen durch den Betrieb zu erwarten sind. Dabei kommt auch die konzentrierende Wirkung der berg- rechtlichen Genehmigung zum Tragen, bei der in einer Genehmigung auch sämtliche anderen geneh- migungsrelevanten Belange, wie etwa der Immissionsschutz, mitberücksichtigt werden. Netzanschlussverfahren Für den Netzanschluss eines Kraftwerks mit einer Leistung von mehr als 100 MW und einer Spannungs- ebene von mindestens 110 kV, bildet die Kraftwerks-Netzanschlussverordnung (KraftNAV) den gesetz- lichen Rahmen für das Anschlussverfahren. Sie beinhaltet verbindliche Fristen und Vorgaben für das Verfahren bis zum Abschluss eines Netzanschlussvertrags und regelt die Verantwortlichkeiten zwi- schen Netzbetreiber und Antragssteller. Wesentliche Schritte und Fristen des Netzanschlussverfahrens sind: Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 24/190 • Antrag Die Netzbetreiber der 110 kV Hochspannungsnetze haben auf ihrer jeweiligen Internetseite gem. § 3 Abs. 1 KraftNAV unter anderem sämtliche Angaben zu veröffentlichen, die vom Antragssteller bei ei- nem Netzanschlussantrag einzureichen sind und die für die erforderlichen Prüfungen des potentiellen Anschlusspunktes benötigt werden. Beispielhaft für das 110-kV-Hochspannungsnetz in Schleswig-Hol- stein ist unter [6] die entsprechende Veröffentlichung der Schleswig-Holstein Netz AG zu finden. Nach Eingang eines die genannten Kriterien erfüllenden Anschlussbegehrens hat der zuständige Netz- betreiber innerhalb von 2 Wochen Auskunft über die zur Beantwortung des Antrags und zur Ermittlung eines geeigneten Netzanschlusspunktes erforderlichen Prüfungen sowie die hierfür anfallenden Kos- ten mitzuteilen. Sobald der Antragsteller 25% dieser Kosten als Anzahlung geleistet hat, ist die Prüfung durchzuführen. Der Netzbetreiber hat dann innerhalb von 3 Monaten das Ergebnis der Prüfung mitzu- teilen. • Anschlusszusage und Netzanschlussvertrag Zusammen mit der Übermittlung des Ergebnisses der Antragsprüfung wird dem Antragssteller eine Anschlusszusage erteilt. Diese Zusage gilt als verbindliche Reservierung der Netzanschlussleistung an einem bestimmten Netzanschlusspunkt und wird wirksam, sobald der Antragssteller innerhalb eines Monats die restlichen Kosten der erfolgten Prüfung sowie eine Reservierungsgebühr von 1.000€ je Megawatt Anschlussleistung gezahlt hat. Sowohl Netzbetreiber als auch Antragssteller sind dazu verpflichtet, anschließend zwecks einer zügi- gen Vorbereitung eines Netzanschlussvertrags zusammenzuarbeiten. Der Netzanschlussvertrag regelt (gemäß 4 Abs. 4 KraftNAV) die wesentlichen eigentumsrechtlichen und technischen Details der Her- stellung des Kraftwerks und des Anschlusses sowie dessen Betriebs. Die jeweiligen Zuständigkeiten für einzelne Komponenten der gesamten Anlage werden dem Kraftwerksbetreiber und Netzbetreiber zu- gewiesen sowie technische Anforderungen an den Anlagenbetrieb fixiert. Somit soll ein reibungsloser und sicherer Betrieb des Kraftwerks und des Hochspannungsnetzes gesichert werden. Neben der gesetzlichen Verpflichtung zum Abschluss eines Netzanschlussvertrags sieht die KraftNAV die Aufstellung eines Realisierungsfahrplans vor, in dem Netzbetreiber und Antragssteller die einzel- nen Schritte zur Verwirklichung des Kraftwerks und des Netzanschlusses vereinbaren. Der Realisie- rungsfahrplan enthält Fristen z.B. für den Erwerb dinglicher oder Eigentumsrechte, einzuholende Ge- nehmigungen, Beginn der Baumaßnahmen usw. Für den Fall der Nichteinhaltung der vereinbarten Fris- ten hat der Fahrplan angemessene Folgen vorzusehen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 25/190 Herstellung der Kaverne Die Herstellung der Kaverne nimmt im gesamten Planungs- und Realisierungsprozess den Großteil der Zeit in Anspruch. Bereits die geologischen Voruntersuchungen vor Beginn des eigentlichen Herstel- lungsprozesses der Kaverne können bis zu 5 Jahre andauern. • Voruntersuchung/Aufsuchung In der zunächst theoretischen Voruntersuchung gilt es, anhand von vorliegenden Untergrundinforma- tionen eine Abschätzung zur gebirgsmechanischen Eignung des gewählten Standorts vorzunehmen. Grundlage hierfür bilden zum Beispiel geologische Kartierungen mit Auskünften über die unterschied- lichen vorhandenen Schichten oder im Idealfall sogar Ergebnisse bereits durchgeführter Probebohrun- gen im Planungsgebiet. Ergibt die theoretische Voruntersuchung eine grundsätzliche Machbarkeit, folgt im nächsten Schritt eine Erkundungsbohrung („slim-hole“) im Untersuchungshorizont zur Gewinnung von Bohrkernen. Mithilfe der Bohrkerne können aussagekräftige Informationen über den genauen geologischen Aufbau gesammelt sowie gebirgsmechanische Tests durchgeführt werden. Die bei den Tests ermittelte Dichte sowie das Festigkeits- und Verformungsverhalten des Salzes werden benötigt, um die dauerhafte Sta- bilität der späteren Kaverne und ihr thermodynamisches Verhalten berechnen zu können. An die Erkundungsbohrung schließen sich die gebirgsmechanischen Tests an, deren Ergebnisse in der Regel in einem Gutachten zusammengefasst werden. Unter Einbeziehung sämtlicher Voruntersuchun- gen und Erkenntnisse entsteht so eine Form Machbarkeitsstudie, die auch als Ergebnis der gesamten Aufsuchungsarbeiten zählt. • Planung und Herstellung der Kaverne Bevor es zur tatsächlichen Herstellung der Kaverne und des Kraftwerks kommt, bedarf es einer Ausle- gung der geplanten Anlage. Hierbei sind die gegenseitigen Abhängigkeiten verschiedener Komponen- ten zu berücksichtigen. So hängen etwa Kavernengröße und Kraftwerksdimensionierung unmittelbar zusammen und können sich jeweils maßgeblich auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprojektes aus- wirken. Die gebirgsmechanische Auslegung der Kavernen sollte daher in unmittelbarer Abstimmung mit der Kraftwerksplanung durchgeführt werden oder sogar für verschiedene Varianten erfolgen, um auf unterschiedliche Kraftwerkskonstellationen flexibler reagieren zu können. Grundlage für die Auslegung der Kavernenspeicher bildet in der Regel ein geologisches Modell. In die- ses fließen sämtliche Basisdaten ein, die etwa bereits vorgelegen haben oder durch die Voruntersu- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 26/190 chung und Probebohrung inkl. Auswertung zur Verfügung stehen. Das Modell ermöglicht es, unter- schiedliche Betriebszustände abzubilden sowie das statische und dynamische Verhalten der geologi- schen Strukturen während der Herstellung und während des Betriebes zu simulieren. Für die Simulation sind sämtliche Parameter der Kaverne festzulegen, die das gebirgsmechanische Ver- halten beeinflussen können. Dazu gehören sowohl die grundsätzliche Frage, ob Einzel- oder Mehrfach- kavernen gewollt bzw. benötigt werden, als auch spezifischere Angaben zur Teufenlage und Volumen der Kaverne oder zu erwartenden Betriebsdrücke sowie Lade- und Endladezyklen. Gerade die beiden zuletzt genannten Parameter hängen, wie bereits erwähnt, auch von der Dimensionierung und Ausle- gung des Kraftwerks ab, wodurch eine enge Verknüpfung von mechanischer Speicherauslegung, ther- modynamischer Dimensionierung und Kraftwerksauslegung sinnvoll ist. Ist ein solch iterativer Prozess nicht möglich, bietet die parallele Entwicklung unterschiedlicher Kavernenalternativen gegebenenfalls ausreichend Flexibilität. Neben der Kavernendimensionierung ist die detaillierte Planung des technischen Herstellungsprozes- ses ein weiterer wichtiger Meilenstein im Planungsprozess. Dabei ist zum einen die Bohrtechnik ent- sprechend der Gegebenheiten vor Ort auszulegen, um bereits im Herstellungsprozess Ungenauigkei- ten und Fehler zu vermeiden, die im späteren Betrieb zu Effizienzverlusten führen können. Darüber hinaus ist die genaue Planung des Solungsprozesses vorzunehmen. Das betrifft sowohl die geologi- schen und gebirgsmechanischen Parameter der Aussolung als auch den überirdischen Solbetrieb. Die- ser kann je nach Kavernengröße bis zu 3 Jahre dauern, weshalb eine genaue Planung hinsichtlich Frisch- wasserversorgung, Soleverbringung (Pipelines) und deren Automatisierung bzw. Personalbedarf not- wendig ist. Sämtliche Planungen zur Kavernenherstellung, Soleentsorgung und Kavernenbetrieb sind in einem Be- triebsplan darzustellen und zu dokumentieren. Sobald eine Genehmigung des Betriebsplans von der zuständigen Behörde ausgestellt wird, kann die eigentliche Herstellung der Kaverne und des Kraft- werks erfolgen. 3.4 Ergebnisse In Anlehnung an die dargestellte Methodik werden die Ergebnisse separat für die Bereiche der Stand- ortauswahl und der Standortgrobplanung beschrieben. Der Bezug der planungstechnischen Abläufe auf die ausgewählten potentiellen Standorte ergänzt die standortbezogene Untersuchung der Mach- barkeit eines DLSK in Schleswig-Holstein. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 27/190 Standortbewertung Die Ergebnisse der multikriteriellen Standortbewertung sind in Tabelle 3 dargestellt. Die detaillierten Bewertungsergebnisse finden sich im Anhang. Die Gesamtergebnisse zeigen eine Spannweite der je Standort erreichten Punktzahl von 38 % bis 79 % der maximal erreichbaren Punkte. Es zeigt sich, dass insbesondere solche Standorte, die eine weite Distanz für die Entsolung aufweisen, aufgrund der ho- hen Gewichtung nur auf eine geringe Gesamtpunktzahl kommen. Die nach dieser Bewertungsgrund- lage am besten geeigneten Standorte liegen verhältnismäßig dicht an der Nord- oder Ostseeküste und weisen auch eine große Verbreitung von Windenergieanlagen vor Ort vor. Für weitere Untersuchungen ist mindestens für die Standorte 1, 6, 7 und 8 eine nähere Untersuchung in Betracht zu ziehen. Diese Standorte haben in den wesentlichen Kriterien eine gute Bewertung er- halten. Der Standort Lägerdorf-Krempe (5) hat gerade in Bezug auf Netzanbindung und Zugang zu Er- neuerbaren Energien ebenfalls eine gute Bewertung, auch die Größe des Salzstocks kann mehrere Un- tersuchungen ermöglichen. Aufgrund der weiten Entfernung zum Meer (außerhalb des Nationalparks) ist der wirtschaftlich Abtransport der Sole allerdings nicht ohne weiteres sichergestellt. Die Berücksich- tigung dieses Standorts kann aber insbesondere dann Sinn machen, wenn Möglichkeiten für einen al- ternativen Abtransport, etwa über die Elbe, bestehen. Tabelle 3: Ergebnis der Standortbewertung Salzformation Nr. Punkte Prozent Belmhusen-Kuden-Süderhastedt 1 103,0 79% Marne-Heide-Süderstapel 6 102,0 78% Oldenswort Nord 7 91,5 70% Osterby 8 87,5 67% Lägerdorf-Krempe 5 82,0 63% Sterup 13 80,0 62% Westensee-Eisendorf-Gnutz-Meezen-Peissen 14 73,0 56% Föhrden-Hamdorf-Oldenbüttel Süd 4 71,5 55% Segeberg-Sülfeld 11 67,0 52% Schwedeneck 10 64,0 49% Elmshorn 3 62,0 48% Bramstedt 2 55,0 42% Sievershütten 12 52,0 40% Quickborn 9 49,5 38% Standortgrobplanung Aus der Standortgrobplanung resultiert ein Zeitplan (Anhang B), der die Planungs- und Genehmigungs- schritte sowie die einzuplanenden Fristen umfasst. Weitere Bestandteile des Planungs- und Realisie- rungsprozesses für ein DLSK, wie etwa die technische Auslegung des Kraftwerks oder baurechtliche Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 28/190 Aspekte, die den Kraftwerksbau betreffen, sind in diesem Plan nicht dargestellt. Es wird davon ausge- gangen, dass die technische Kraftwerksplanung, wie im Abschnitt 7 beschrieben, parallel und inhaltlich abgestimmt zur Kavernendimensionierung erfolgt und somit keine gesonderten Meilensteine erfor- derlich sind. Baurechtliche Aspekte werden, sofern sie nicht von der konzentrierenden Wirkung der bergbaurechtlichen Genehmigung bereits berücksichtigt werden, ebenfalls als parallel zum Verfahren nach BBergG abgehandelt angesehen. • Vorarbeiten (Aufsuchung) Ausgangspunkt des Zeitplans ist die Festlegung eines Standortes für das DLSK. Der Rangliste aus der Standortwahl folgend kann ebenfalls die Wahl auf mehrere potentielle Standorte fallen. Entsprechend müssten die im Zeitplan dargestellten Schritte bis zur endgültigen Entscheidung (etwa nach Vorliegen erster Erkundungsergebnisse) dann für alle Standorte parallel durchgeführt werden. Weitere Vorar- beiten, die vor Beginn der eigentlichen Entwicklung des Standorts abzuschließen sind, betreffen zum einen die nutzungsrechtliche Sicherung der überirdischen Flächen und zum anderen die Kooperation mit geo- und gebirgstechnischen Fachfirmen. Erst nach erfolgter Flächensicherung ist es sinnvoll, berg- baurechtliche Anträge in Angriff zu nehmen, da ansonsten etwaige, hierauf erteilte Genehmigungen nicht zu nutzen sind, wenn es keine Einigkeit mit den betroffenen Landeigentümern gibt. Es ist zu empfehlen, verbindliche, schriftliche Nutzungs- bzw. Gestattungsverträge abzuschließen (ggf. mit verpflichtender grundbuchlicher Sicherung durch beschränkt persönliche Dienstbarkeiten), in de- nen sämtliche Zugriffsrechte und etwaige Entschädigungszahlungen oder Schadenersatzansprüche ge- regelt werden. Diese Verträge dienen sowohl dem Nachweis der erforderlichen Ernsthaftigkeit für ein bergbaurechtliches Antragsverfahren als auch der Absicherung für eine etwaige Finanzierung durch Kreditmittel. Je nachdem, wer die Position des Antragsstellers bzw. Projektentwicklers einnimmt, sind gegebenen- falls weitere Projektpartner zu akquirieren, um die nötige Fachkompetenz in der Genehmigungs- und Ausführungsplanung sowie der späteren Umsetzung belegen und nutzen zu können. • Antrag auf Erteilung einer Erlaubnis und Genehmigungsverfahren Nach Abschluss der Vorarbeiten für das Aufsuchen von bergfreien Bodenschätzen kann der Antrag auf Erteilung einer Erlaubnis mit der erforderlichen Sicherheit vorbereitet und gestellt werden. In wie weit die Ausarbeitung des Antrags bereits parallel zu den Vorarbeiten durchgeführt werden, hängt von de- ren Verlauf ab. Zeichnen sich bereits früh Lösungen bei der Projektpartnersuche und der Flächensiche- rung ab, ist die Chance auf Realisierbarkeit von Aufsuchungsarbeiten gegeben, sodass die Unterlagen für das Antragsverfahren auch schon früher vorbereitet werden können. Die tatsächliche Einreichung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 29/190 eines Antrags ist jedoch erst dann zu empfehlen, wenn verbindliche Verträge (insbesondere für die Flächensicherung) abgeschlossen wurden. Das anschließende Genehmigungsverfahren dauert bis zu zwölf in etwa Monate. • Voruntersuchung Kaverne (Aufsuchung) Die Erlaubnis für Aufsuchung bodenfreier Bodenschätze ist bis zu 5 Jahren gültig. Erst mit Erteilung der Genehmigung kann ein berechtigtes Interesse an geologischen Daten für ein bestimmtes Feld belegt werden. Gegebenenfalls ist die Sichtung und Auswertung solcher Bestandsdaten deshalb erst nach Genehmigungserteilung möglich, solange der Antragssteller oder seine Projektpartner die Daten über Behörden oder ggf. andere Stellen beschaffen muss und nicht bereits zuvor Zugang zu entsprechenden Unterlagen hatte. Nach Auswertung der Daten ist der Betriebsplan für den Aufsuchungsbetrieb aufzustellen, in dem sämtliche Arbeitsschritte unter technischen und genehmigungsrechtlichen Aspekten (z.B. Umwelt- und Immissionsschutz) beschrieben werden. Für die Genehmigung dieses Betriebsplans wird im Zeit- plan eine Dauer von 12 Monaten angesetzt, die je nach Ansprüchen an das Genehmigungsverfahren (z.B. UVP-Pflicht) auch variieren kann. Da für die anschließende Erkundungsbohrung im sogenannten Slim-Hole-Verfahren eine entspre- chende Fachfirma zu beauftragen ist, sollte ggf. bereits vor Erteilung der Betriebsplangenehmigung eine Ausschreibung der Bohrarbeiten erfolgen bzw. vorbereitet werden. So können etwaige starke Auslastungen der Firmen rechtzeitig erkannt und berücksichtigt werden. Der Zeitplan sieht für die Er- kundungsbohrung einen Zeitraum von einem halben Jahr vor, inklusive Einrichtung und Abrüstung des Aufsuchungsbetriebes. Die Dauer der anschließenden gebirgsmechanischen Tests auf Basis der gewon- nenen Bohrkerne sowie die Zeit für die Dokumentation der Aufsuchungsarbeiten ist mit 2 Jahren so gewählt, dass ein gewisser Zeitpuffer vorhanden ist, sollten sich die vorangegangenen Schritte verzö- gern. Die Ergebnisse der Aufsuchungsarbeiten sind ausschlaggebend für alle weiteren Schritte zur Errichtung der Speicherkavernen und des Kraftwerks. Sollten die gebirgsmechanischen Tests keine geeigneten Untergrundvoraussetzungen belegen, ist das gesamte Verfahren erneut zu durchlaufen und, wenn ge- wollt, auf einen anderen Standort auszulegen. • Vorarbeiten (Gewinnung) Nach Vorliegen der Ergebnisse gebirgsmechanischer Tests sind die Aussichten auf eine technische Re- alisierbarkeit der Kavernen und damit des DLSK gegeben. Parallel zur Ausarbeitung des Antrags auf Erteilung einer Bewilligung ist deshalb die Flächenakquise für alle weiteren Schritte anzugehen. Sofern Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 30/190 die erste Flächensicherung für die Aufsuchungsarbeiten einen etwaigen dauerhaften Speicherkraft- werksbetrieb noch nicht mit vorgesehen hat, ist dieser nun im Vorfeld nutzungs- bzw. eigentumsrecht- lich zu sichern. Da bei einem Kraftwerksbetrieb die Flächennutzung durchaus großräumiger zu betrach- ten ist als bei Aufsuchungsarbeiten und sich über einen deutlich längeren Zeithorizont (mehrere Jahr- zehnte) hinzieht, ergibt es durchaus Sinn, statt nur Nutzungsrechte auch das Eigentum an den benö- tigten Flächen zu erhalten. Da neben dem Kraftwerk- auch der Gewinnungsbetrieb nutzungsrechtlich abgesichert werden muss, sind für die benötigte Infrastruktur entsprechende Verträge mit Grundstückseigentümern abzuschlie- ßen. Dies betrifft vor allem das Erfordernis, für den durchaus mehrjährigen Aussolungsprozess der Ka- vernen den Abtransport der Sole sicherzustellen. Da dieser unter Umständen je nach Standort bis zu 50 km über Pipelines erfolgt (siehe Standortwahl), ist ein entsprechender Zeitaufwand bei der Flächen- sicherung vorzusehen. Erst nach Abschluss von verbindlichen Verträgen kann die soltechnische Ausle- gung als Bestandteil der Auslegung & Planung der Kaverne erfolgen. • Antrag auf Erteilung einer Bewilligung und Genehmigungsverfahren Die Vorbereitungen des Antrags auf Erteilung einer Bewilligung knüpfen direkt an die Ergebnisse der gebirgsmechanischen Tests an. Auf Basis der gewonnenen Daten wird ein digitales geologisches Mo- dell erstellt, mithilfe dessen die gebirgsmechanische Vorauslegung und Festlegung der einzelnen Pa- rameter, wie Volumen, Form, Drücke usw., erfolgt. Da diese Schritte in enger Abstimmung mit der Kraftwerksdimensionierung erfolgen müssen, sind nach Abschluss dieses Arbeitsschrittes sämtliche Voraussetzungen erfüllt, um mit der Planung der Kavernenherstellung sowie dem Antragsverfahren für den Netzanschluss fortzufahren. Sobald die soltechnische Auslegung der Kaverne, die vom Abschluss entsprechender Nutzungsverträge abhängige Planung und Auslegung der Soleentsorgung sowie die Dimensionierung der Bohr- und Er- schließungstechnik erfolgt sind, wird wiederum ein Betriebsplan erstellt, in dem sämtliche betriebliche Maßnahmen, die im Rahmen der Kraftwerks- und Kavernenherstellung sowie während deren Betrieb durchgeführt werden, im Detail beschrieben werden. Der Betriebsplan ist bei der Genehmigungsbe- hörde einzureichen und wird von dieser zwecks Beteiligung an weitere Behörden, Verbände oder sons- tige Träger öffentlicher Belange weitergeleitet. Je nach Untersuchungsumfang (UVP-Pflicht) ist bis zur Genehmigung mit einer Dauer von etwa einem Jahr zu rechnen. Nach Genehmigungserteilung für den Betriebsplan des Kavernen- und Kraftwerksbetriebs beginnen die Herstellungsarbeiten der Kaverne und des Kraftwerks. Da bereits der Aussolungsprozess bis zu 3 Jahren dauern kann, wird eine gesamte Bauzeit von 5 Jahren angenommen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 31/190 • Antragsverfahren Netzanschluss Für den Antrag auf Netzanschluss nach KraftNAV bedarf es detailreicher technischer Parameter, die für die Prüfungen des Netzbetreibers benötigt werden. Da diese Parameter unter Umständen erst nach Abstimmung der Kraftwerks- und der gebirgsmechanischen Auslegung endgültig benannt werden kön- nen (z.B. das netztechnische Verhalten im Be- bzw. Entladebetrieb), ist eine verbindliche Netzan- schlusszusage ggf. erst zu einem recht fortgeschrittenen Stadium möglich. Damit die Realisierung und der Aufwand für die Netzanbindung des Kraftwerks dennoch rechtzeitig abgeschätzt werden können, ist es empfehlenswert, deutlich früher bereits Gespräche mit dem Netz- betreiber zu führen und ihn über die Planungen des Kraftwerks kontinuierlich zu informieren. So kann eine verlässliche Kooperationsgrundlage geschaffen werden und das eigentliche Antragsverfahren ggf. etwas vereinfachen bzw. den Abstimmungsprozess verkürzen. Standortspezifischer Bezug zur Standortauswahl Die in Tabelle 3 bewerteten potentiellen Standorte bieten mit Blick auf die Entwicklung eines DLSK- Kraftwerks unterschiedliche Voraussetzungen. Im Einzelnen sind diese Aspekte der Bewertungstabelle in Anhang A zu entnehmen. An dieser Stelle sollen lediglich einige Besonderheiten hervorgehoben werden, die es bei der Standortentwicklung nach zuvor genanntem Prozess zu berücksichtigen gilt. Durch die Bewertung lassen sich die Untersuchungsgebiete auf eine Vorauswahl von 3 bis 5 guten Standorten beschränken, auf die hier näher eingegangen wird. An den Standorten Belmhusen-Kuden-Süderhastedt und Marne-Heide-Süderstapel sind bereits di- verse Untergrunderkundungen in der Vergangenheit durchgeführt worden. So liegen für das Gebiet Belmhusen Bohrergebnisse bei der RWE Dea AG vor, mit Hilfe derer der Arbeitsschritt Aufsuchung unter Umständen verkürzt bzw. im Aufwand reduziert werden könnte. Auch ist es möglich, dass an- hand der Ergebnisse bereits vorab Schlüsse gezogen werden können, die für die weitere Auslegung und Dimensionierung des Standorts hilfreich sind. Eine frühzeitige Kontaktaufnahme mit den Inhabern der Untersuchungsergebnisse ist daher empfehlenswert, um diesbezüglich Projektpartner, mindes- tens jedoch aussagekräftige Unterlagen, zu akquirieren. In der Salzformation Marne-Heide-Süderstapel hat es in der Vergangenheit neben Erkundungsbohrun- gen sogar bereits erste Kavernenbohrungen gegeben. Die Kavernen wurden im Zusammenhang mit dem Erdölraffineriebetrieb Hemmingstedt im Bereich Heide erschlossen und belegen die grundsätzli- che Eignung des Salzstocks für derartige Vorhaben. Um weitere Analysen durchführen zu können, ist es in diesem Fall ebenfalls ratsam, bereits im Rahmen der Vorarbeiten einen Kontakt zu den jeweiligen Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 32/190 Rechte- und Ergebnisinhabern herzustellen und Daten zu akquirieren. Auch eine Kooperation mit den Stadtwerken Heide, Rechteinhaberin einer Bewilligung zur Gewinnung von Sole, ist denkbar. Mit Blick auf das Genehmigungsverfahren, insbesondere die Betriebsplangenehmigungen, sind an mehreren Standorten die erhöhten Anforderungen an den Naturschutz zu berücksichtigen. So befin- den sich etwa an den Standorten Marne-Heide-Süderstapel, Oldenswort Nord und Lägerdorf-Krempe Naturschutzgebiete in der Umgebung potentieller DLSK-Standorte. Dies spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn durch diese Gebiete ein etwaiger temporärer Pipelinebetrieb für den Abtransport der Sole zu führen ist. Der Immissionsschutz ist im Genehmigungsverfahren nach BBergG mit inbegriffen, was dazu führen kann, dass sich die Laufzeiten der Verfahren durch erhöhte Anforderungen verlängern. Äquivalent gilt dies auch bei der Tangierung von Wasserschutzgebieten, die sich zum Beispiel an den Standorten Marne-Heide-Süderstapel und Lägerdorf-Krempe befinden. Von den nach Tabelle 3 fünf besten potentiellen Standorten liegen vier Untersuchungsgebiete im west- lichen Schleswig-Holstein, sodass die Soleentsorgung durch Einleitung in die Nordsee erfolgen würde. Da hierbei jedoch durch die Querung des Wattenmeers ebenfalls erhöhte naturschutz- bzw. immissi- onsschutzfachliche Bestimmungen zu berücksichtigen wären, sollten etwaige Alternativen ebenfalls betrachtet werden. An den Standorten Belmhusen-Kuden-Süderhastedt und Marne-Heide-Südersta- pel kann zum Beispiel die räumliche Nähe zum Industriestandort Brunsbüttel Kooperationen ermögli- chen, bei denen eine Soleeinleitung in Gewässer vermieden werden kann. Eine frühzeitige Kontaktauf- nahme mit möglichen Abnehmern von Sole ist daher ausdrücklich zu empfehlen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 33/190 4 Technologisches Spektrum Das Prinzip der Druckluftspeicherung umfasst die Kompression von Luft zur Speicherung elektrischer Energie, die Vorhaltung dieser komprimierten Luft im Speicher sowie die Expansion der Luft zur Rück- gewinnung der elektrischen Energie. Grundsätzlich kann dieser Prozess durch eine Vielzahl verschie- dener Kraftwerkskonzeptionen erreicht werden, die sich jedoch hinsichtlich ihrer Eignung für ein Druckluftspeicherkraftwerk in Schleswig-Holstein unterscheiden. 4.1 Betrachtete Konzepte und Klassifizierung Abbildung 4 zeigt die im Rahmen der Arbeiten vorgenommene Klassifizierung der zur Bewertung aus- gewählten Konzeptionen. Die Einteilung der Konzepte erfolgt zunächst nach Art der Arbeitsmedien in ausschließlich luftbetriebene sowie hydropneumatische Systeme. Des Weiteren bestehen unter- schiedliche Ansätze im angestrebten Prozessverlauf. Dabei werden so genannte adiabate Konzepte, bei denen möglichst keine Wärme an die Umgebung übertragen wird, von so genannten diabaten un- terschieden, bei denen eine forcierte Wärmeabgabe und eine Zufuhr thermischer Energie auf hohem Temperaturniveau vorhanden sind. Unter einem quasi-isothermen Prozessverlauf wird demgegenüber hier verstanden, dass Wärmeübertragung an die und von der Umgebung nur auf gleichbleibendem Temperaturniveau nahe der Umgebungstemperatur erfolgt. Neben den verbreiteten, mit Umgebungs- luft arbeitenden Systemen sind geschlossene Systeme denkbar, in denen Luft in einem geschlossenen Abbildung 4: Klassifizierung der Druckluftspeicherkonzepte Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 34/190 Behälter unter bestimmtem Vordruck komprimiert wird [7]. Eine letzte Untergliederung wird nach Ein- beziehung eines thermischen Speichers (TES) vorgenommen. In diese Systematik lassen sich, wie in der Abbildung 4 zu sehen, auch die im Folgenden näher beschrie- benen Prozesskonzepte A1a bis HP2 einordnen. An dieser Stelle wird zunächst der Aufbau der ver- schiedenen Schaltungen beschrieben. Eine ausführlichere Darstellung aller Konzepte befindet sich mit den vorläufigen Berechnungsdaten im Anhang C. Die adiabaten DLSK wurden in der Technologievorauswahl in drei Varianten untersucht. Die entspre- chenden Schaltbilder sind in Abbildung 5 dargestellt. Das Konzept A1a beschreibt dabei ein klassisches adiabates Druckluftspeicherkraftwerk mit einem thermischen Speicher (TES) und einer geringfügigen Zwischenkühlung nach der ersten Verdichtung, die den Zweck erfüllt, Temperaturbelastungen bei ho- hen Kavernendrücken zu verringern. Demgegenüber steht der konzeptionelle Ansatz, auch die im ers- ten Verdichtungsschritt entstehende Abwärme in einem zweiten TES zu speichern und dem Prozess vor der zweiten Expansionsstufe wieder zuzuführen. Dieses so genannte Multistage-TES Konzept wird hier als A1b bezeichnet. Als weiteres adiabates DLSK wurde eine Variante ohne TES (Konzept A2) un- tersucht. Besonderes Augenmerk ist hier auf die Temperaturbelastungsgrenzen der Kaverne zu richten [7] [8]. Konzept A1a Konzept A1b Konzept A2 Abbildung 5: Schaltbilder der adiabaten Konzepte Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 35/190 Abbildung 6: Schaltbilder der diabaten DLSK Eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten bietet das diabate DLSK (siehe Abbildung 6). Das Konzept D1a vereint den Ansatz der Wärmespeicherung im TES mit einer zusätzlichen Wärmezufuhr durch erdgas- befeuerte Brennkammern. Als zusätzliche Komponente kann der Dampfteil eines GuD-Kraftwerkes die hohen Temperaturen des Abgases nach der Expansion nutzen und somit zusätzliche elektrische Ener- gie erzeugen (Konzept D1b). Das 1978 gebaute Kraftwerk Huntorf ist ein Beispiel des klassischen dia- baten Konzeptes D2a, welches auf einen thermischen Speicher verzichtet. Um verschiedene Kraft- werkskomponenten ergänzt, leiten sich daraus weitere Konzepte ab. Ein Rekuperator, welcher die Wärme des Abgases zur Erwärmung der Luft nach Kavernenaustritt nutzt, wurde praktisch im Kraft- werk McIntosh realisiert (Konzept D2b). Außerdem ist der Anschluss eines Gasturbinenkraftwerkes Konzept D1a Konzept D1b Konzept D2a Konzept D2b Konzept D2c Konzept D2d Konzept D2e Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 36/190 (Konzept D2c), eines Dampfteils (Konzept D2d) oder einer Kombination der beiden letzteren möglich (Konzept D2e) [9] [7] [10]. Weitere kombinatorische Möglichkeiten der diabaten und adiabaten Druckluftspeicherung bezüglich einer Implementierung der zusätzlichen Komponenten Rekuperator, thermischer Speicher, Gasturbi- nenanlage sowie Dampfteil wurden geprüft und ausgeschlossen. Die thermodynamische Sinnhaftigkeit ist bei den wärmetechnischen Zusätzen aufgrund der ähnlichen Temperaturniveaus nicht gegeben. Beispielsweise kann bei Systemen ohne TES ein Rekuperator nicht mit einem Dampfteil kombiniert werden, weil beide um die nach der Expansion der Druckluft verbleibende Abwärme konkurrieren. Sobald dagegen ein TES vor der ersten Expansion eingesetzt wird, verliert ein Rekuperator dadurch an Attraktivität, dass der TES die Nutzung der Abgasenergie durch den Rekuperator erheblich einschränkt. Aus gleichem Grund bietet sich auch die Kombination von TES und Gasturbine nicht an. Zusätzlich zu den dargestellten Konzepten sind Varianten mit Anschluss an das Fernwärmenetz sowie an industrielle Betriebe möglich. Durch einen Fernwärmeanschluss kann die während der Verdichtung sonst an die Umgebung abgegebene Wärme stattdessen als Fernwärme effizient genutzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, Industrieabwärme auf hohem Temperaturniveau innerhalb des Ex- pansionsprozesses zuzuführen und somit Brennstoff einzusparen. Aufgrund der Tatsache, dass in die- sen Fällen eine Nähe zu größeren Zentren sowie zu Hochtemperaturindustrien vorausgesetzt ist und diese im landwirtschaftlich geprägten Bundesland Schleswig-Holstein zumeist nicht vorhanden ist, werden beide Varianten in der Auswahl ausgeschlossen. Gleiches gilt für ein isobares Konzept, welches durch einen hohen Volllastanteil Effizienzvorteile bedeutet, aber auf ein oberirdisches Solependelbe- cken angewiesen ist. Auch diese Voraussetzung ist in Schleswig-Holstein nicht erfüllt. Bisher weniger erforscht im Zusammenhang mit der Energiespeicherung auf Netzebene sind die hydropneumatischen Systeme, die zur Verdichtung der Luft oder eines Gases eine Flüssigkeit, zumeist Öl, nutzen. Mögliche technische Auslegungen sind in Abbildung 7 dargestellt. Angestrebt wird hierbei ein nahezu isothermer Prozessverlauf, der durch kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Umgebung erreicht werden soll. Praktisch werden jedoch polytrope Prozessverläufe erreicht, welche sich aus adiabaten und isothermen Kombinationen ergeben [11]. Konzeptionell wird dies in geschlossenen Systemen (Konzept HP1) realisiert, in denen Luft mit hohem Überdruck durch das Pumpen eines Ölstromes in den Behälter komprimiert wird. Offene Systeme (Konzept HP2) hingegen nutzen Umgebungsluft, um sie nach dem so genannten „Liquid-Piston“- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 37/190 Konzept HP1 Konzept HP2 Prinzip zu verdichten [11], und benötigen somit ein wesentlich geringeres Ölvolumen. In der weiteren Bewertung wurde zunächst das geschlossene System näher betrachtet, da es aufgrund höherer Aus- gangsdrücke und eines dem isothermen Verlauf näheren Prozess bei ansonsten weniger aufwendigem kraftwerkstechnischen Aufbau wesentliche Vorteile gegenüber dem offenen Konzept aufweist. Eine Relevanz könnte das Konzept HP2 erlangen, wenn hohe Ölvolumenströme wegen externer Faktoren vermieden werden müssen. 4.2 Methodik zur Konzeptvorauswahl Die Auswahl der aussichtsreichsten technischen Konzepte zur Druckluftspeicherung erfordert im ers- ten Schritt wie auch bei der Standortauswahl die Anwendung einer multikriteriellen Bewertungsme- thodik. Dazu erfolgt die Aufstellung von entscheidungsrelevanten Bewertungskriterien eines DLSK-Konzeptes hinsichtlich der Standorterfordernisse, der technologischen Erfordernisse und Charakteristika sowie der Effizienz (siehe Tabelle 4). Die DLSK Konzepte können bezüglich der jeweiligen Kriterien mit Werten zwischen 0 – 10 evaluiert werden. Mithilfe eines Gewichtungsschemas und unter Berücksichtigung übergeordneter Metakriterien führt die Bewertung zur Auswahl der aussichtsreichsten Druckluftspei- cherkonzepte. Details zur Bepunktung der jeweiligen Kriterien befinden sich im Anhang C. In den fol- genden Absätzen werden die Grundsätze bei der Vergabe der Punkte erläutert. Abbildung 7: Schaltbilder der hydropneumatischen Konzepte Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 38/190 Tabelle 4: Kriterien zur DLSK-Konzeptbewertung Standorterfordernisse Geologische Erfordernisse Solependelbecken Erforderlichkeit einer Kaverne Energiedichte der Kaverne Infrastrukturelle Erfordernisse Erdgasanschluss Fernwärmeanschluss Industrieabwärmeanschluss Technologische Erfordernisse Allg. Machbarkeit Komponentenverfügbarkeit Systementwicklungsstatus Anlaufzeit Betrieb als Kraftwerk Brennstoffeinsatz Kapazitätsbegrenzung Kosten Effizienz Effizienz nach Restwertmethode Exergetische Effizienz Standorterfordernisse Die dargestellten Konzepte zur Druckluftspeicherung bedürfen unterschiedlicher Voraussetzungen hinsichtlich des Standortes. Je mehr Anforderungen von einem Konzept an den Standort gestellt wer- den, desto höher gestaltet sich der Realisierungsaufwand und desto geringer wird die allgemeine Eig- nung eingestuft. Die standorttechnischen Voraussetzungen betreffen dabei insbesondere geologische und infrastrukturelle Erfordernisse. Die geologischen Erfordernisse werden mittels dreier Kriterien bewertet, die für die Konzepte jeweils auf die notwendige Beschaffenheit des Untergrundes abzielen. Für die angestrebten Leistungsklassen kann eine isobare Prozessführung beispielsweise nur mithilfe eines Solependelbeckens realisiert wer- den. Auch die generelle Erforderlichkeit einer Kaverne als Massenspeicher sowie die Energiedichte als Indiz für das benötigte Speichervolumen werden für alle Konzepte separat bewertet. Infrastrukturelle Anforderungen ergeben sich aus zum Teil benötigten Erdgasanschlüssen für diabate DLSK Konzepte oder bei Nutzung von industrieller Abwärme im Ausspeicherprozess. Die Nutzung der abgeführten Wärme während der Verdichtung erfordert einen Anschluss an die Verbraucher z.B. über das Fernwärmenetz. Technologische Erfordernisse In der Kategorie der technologischen Erfordernisse zählt zum einen die allgemeine Machbarkeit der Prozessführung, die aufgrund thermodynamischer und kraftwerkstechnischer Aspekte zumindest für Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 39/190 einige Konzepte als eingeschränkt eingestuft werden kann. Ebenso wichtig für die praktische Realisier- barkeit sind die Komponentenverfügbarkeit sowie der Systementwicklungsstatus. Unterschiede treten hier beispielsweise bei bereits umgesetzten Konzepten, umfassend erforschten Ansätzen und Konzep- ten in der Grundlagenforschung auf. Je höher der Entwicklungsstand des spezifischen Konzeptes in diesen Bereichen ist, desto interessanter ist die Technologie für die folgenden Untersuchungen. Als weiteres Kriterium dient die Anlaufzeit des DLSK, die die Betriebsflexibilität beeinflusst und ent- scheidend auch den Betrieb am Regelleistungsmarkt ermöglicht. Einige Konzepte können zudem the- oretisch auch als Kraftwerk betrieben werden, was wiederum eine gesteigerte Betriebsflexibilität be- deutet. Als weiterhin positiv bewertet wird ein geringer spezifischer Brennstoffverbrauch sowie ein weiter realisierbarer Leistungsbereich. Die Investitionskosten sind ein erstes Indiz für die Wirtschaft- lichkeit der einzelnen Konzepte. Betriebskosten werden dabei bezüglich der Vorauswahl vernachläs- sigt, da davon ausgegangen wird, dass Brennstoffkosten den größten Anteil ausmachen und diese be- reits indirekt im spezifischen Verbrauch eingeflossen sind. Effizienz Die Effizienz kann für Kraftwerksprozesse generell nach verschiedenen Wirkungsgradansätzen bewer- tet werden. Für die Technologievorauswahl wird die Effizienzbewertung bei Volllast und maximalem Druck im Massenspeicher durchgeführt. Daher werden Ansätze mit Bezug auf Wärmeströme und Leis- tungen angewendet. Im Zuge der dargestellten Arbeiten wird zum einen die Speicherbewertung nach der Exergiemethode, welche den qualitativen Unterschied zwischen Wärmeströmen und Leistungen erfasst, nach der fol- genden Formel gewählt. _ Zum anderen wird ein energetischer Restwertansatz herangezogen. Dieser geht davon aus, dass die zugeführte Brennstoffenergie auch in einem anderen Referenzkraftwerk mit einem Referenzwirkungs- grad nutzbar gewesen wäre. Daher wird die Ausspeicherleistung um die Leistung aus dem Referenz- kraftwerk reduziert [9]. _ ∙ _ Die oben definierten Effizienzkennzahlen werden aus einer ersten thermodynamischen Berechnung abgeleitet. Im Rahmen dieses Arbeitsschrittes wird zunächst das stationäre Betriebsverhalten der Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 40/190 Kraftwerkskonzepte bei Volllast und maximalem Betriebsdruck untersucht. Als Arbeitsmedium wird trockene Luft als ideale Mischung realer Gase verwendet. Verdichter und Turbinen werden mithilfe isentroper Wirkungsgrade innerhalb der technisch möglichen Temperaturgrenzen und typischen Druckstufungen analysiert. Die Brennkammern werden zunächst durch eine externe Wärmezufuhr er- setzt. Betriebsgrenzen der Kaverne bezüglich Maximaltemperatur und –druck sowie Druckverluste in sonstigen Einbauten werden berücksichtigt. Die detaillierte Beschreibung der zu Grunde gelegten ther- modynamischen und kraftwerkstechnischen Gesetzmäßigkeiten befindet sich darüber hinaus im An- hang D. 4.3 Ergebnisse der Konzeptvorauswahl Die beschriebenen Konzepte zur Druckluftspeicherung wurden hinsichtlich der zuvor skizzierten Krite- rien zu den Kategorien Standort, der Technologie und der Effizienz beurteilt. Tabelle 5 fasst die Bewer- tung bezüglich der Standorterfordernisse, die sich in geologische und infrastrukturelle Anforderungen unterscheiden, zusammen. Diesbezüglich weisen die Speicher keine wesentlichen Differenzen zuei- nander auf. Die Konzepte A1b und HP1a sind vor allem aufgrund des nicht zwingend erforderlichen Erdgasanschlusses führend. Tabelle 5: Konzeptbewertung bezüglich der Standorterfordernisse Geologische Erfordernisse Infrastrukturelle Erfordernisse Anschluss an: Solependel- becken Kaverne Erdgas Fernwärme Industrie- abwärme Erforderlich- keit Energie- dichte 10 % 25 % 25 % 20 % 10 % 10 % 100 % A1a 10 0 5 7 10 10 5,65 A1b 10 0 6 7 10 10 5,90 A2 10 0 0 7 10 10 4,40 D1a 10 0 6 0 10 10 4,50 D1b 10 0 10 0 10 10 5,50 D2a 10 0 6 0 10 10 4,50 D2b 10 0 10 0 10 10 5,50 D2c 10 0 6 0 10 10 4,50 D2d 10 0 10 0 10 10 5,50 D2e 10 0 10 0 10 10 5,50 HP1a 10 2 1 10 10 10 5,75 HP1b 10 2 0 10 10 10 5,50 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 41/190 Ein deutlich abweichendes Bild ergibt sich bei der Bewertung der Kategorie Technologie (Tabelle 6), die insbesondere die heutige Machbarkeit der Konzepte sowie deren grobe Charakteristika analysiert. Offensichtlich zeigen hier insbesondere die schon realisierten Kraftwerkskonzepte (Huntorf, McIntosh) hohe Bewertungen. Vor allem der thermische Speicher, welcher für die Industrie noch einen großen Forschungsaufwand bedeutet und den alleinigen Kraftwerksbetrieb im adiabaten System ausschließt, hat, wie in Tabelle 6 zu sehen ist, einen negativen Einfluss auf die betreffenden Konzepte. Tabelle 6: Konzeptbewertung bezüglich der Technologiekriterien Allg. Mach- barkeit Komp.- verfüg- barkeit Systement- wicklungs- status Anlauf- zeit Betrieb als Kraftwerk Brenn- stoff- einsatz Kapazitäts- begrenzung Kosten 20 % 20 % 20 % 5 % 10 % 10 % 5 % 10 % 100 % A1a 6 5 6 3 0 10 8 4 5,35 A1b 6 5 5 3 0 10 8 4 5,15 A2 3 2 2 3 0 10 6 6 3,45 D1a 6 5 4 3 0 9 6 5 4,85 D1b 6 5 4 3 0 4 6 6 4,45 D2a 10 10 10 3 10 7 6 7 8,85 D2b 10 10 10 3 10 3 6 8 8,55 D2c 10 10 2 3 10 1 6 7 6,65 D2d 10 7 4 3 10 1 6 7 6,45 D2e 10 7 0 3 10 0 6 7 5,55 HP1a 10 10 6 6 0 10 10 0 7,00 HP1b 10 10 6 6 0 10 10 0 7,00 Die Effizienzkriterien umfassen Wirkungsgrade nach der energetischen Restwertmethode mit ange- nommenen Referenzwirkungsgraden von typischen Spitzenlastkraftwerken. Grundsätzlich kann in die- sem Zusammenhang angemerkt werden, dass sich die Speicherkonzepte in Bezug auf ihren Spitzenlast- bzw. Schattenkraftwerksanteil unterscheiden. Wegen des wachsenden Gewichts der zugeführten Brennstoffenergie im Verhältnis zur eingespeicherten Energie rücken additive Komponenten wie bei- spielweise die Gasturbinenanlage sowie der Dampfteil Konzepte deutlich weiter in Richtung eines Spit- zenlast- oder Schattenkraftwerkes. Bei zusätzlicher Berücksichtigung des exergetischen Wirkungsgra- des weisen die adiabaten Konzepte mit thermischem Speicher deutliche Effizienzvorteile gegenüber den übrigen Konzepten auf. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 42/190 Tabelle 7: Konzeptbewertung bezüglich der Effizienzkriterien Wirkungsgrad nach energetischer Restwertmethode ηref = Exergetischer Wir- kungsgrad 0,4 0,5 0,6 10 % 40 % 10 % 40% 100 % A1a 8 8 8 9 8,40 A1b 9 9 9 10 9,40 A2 6 6 6 9 7,20 D1a 8 8 7 8 7,90 D1b 10 9 6 4 6,80 D2a 4 2 1 3 2,50 D2b 8 3 0 3 3,20 D2c 8 2 0 3 2,80 D2d 9 4 0 4 4,10 D2e 10 4 0 0 2,60 HP1a 8 8 8 8 8,00 HP1b 4 4 4 4 4,00 Zusammenfassend resultiert eine Rangfolge der Systeme, welche in Tabelle 8 dargestellt ist. Bei An- nahme eines realisierbaren isothermen Prozessverlaufes weist das geschlossene hydropneumatische DLSK die höchsten Bewertungen auf. Im Zuge der Konzeptauswahl stellt jedoch die Prozessrealisier- barkeit ein übergeordnetes Metakriterium dar. Prinzipiell ist der isotherme Verlauf des Konzeptes HP1a zu dem jetzigen Zeitpunkt nicht praktisch realisierbar und bringt lediglich das Potential des Sys- tems zum Vorschein. Es wird auch aufgrund des deutlich weiter abgeschlagenen Ranges des polytro- pen Prozesses von der weiteren Betrachtung ausgeschlossen. Tabelle 8: Rangfolge der Konzepte zur Druckluftspeicherung Standort Technologie Effizienz 20 % 40% 40 % 100 % 1 HP1a 5,75 7,00 8,00 7,15 2 A1b 5,90 5,15 9,40 7,00 3 A1a 5,65 5,35 8,40 6,63 4 D1a 4,50 4,85 7,90 6,00 5 D2b 5,50 8,55 3,20 5,80 6 D1b 5,50 4,45 6,80 5,60 7 HP1b 5,50 7,00 4,00 5,50 8 D2a 4,50 8,85 2,50 5,44 9 D2d 5,50 6,45 4,10 5,32 10 A2 4,40 3,45 7,20 5,14 11 D2c 4,50 6,65 2,80 4,68 12 D2e 5,50 5,55 2,60 4,36 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 43/190 Auf den folgenden Rängen sind das adiabate DLSK mit mehreren thermischen Speichern sowie jenes mit einem thermischen Speicher vertreten. Die konstruktive Nähe beider Konzepte erlaubt eine Re- duktion auf das Konzept A1a für die weitere Analyse und Simulation im Energieversorgungssystem. Ebenso werden das diabate DLSK mit thermischem Speicher D1a wie auch das diabate Konzept mit Rekuperator D2b in das folgende Arbeitspaket übernommen. Aufgrund des deutlich in Richtung eines konventionellen Schattenkraftwerks divergierenden Konzeptes D1b, welches neben dem thermischen Speicher einen Dampfteil enthält, wurde entschieden, dieses als ein viertes Konzept im Detail zu un- tersuchen. Alle genannten Konzepte genügen dem Metakriterium der Prozessrealisierbarkeit. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 44/190 5 Betriebsmodell für Druckluftspeicherkraftwerke Im folgenden Kapitel werden die einzelnen Schritte der Modellentwicklung für die Betriebsoptimie- rung von Druckluftspeicherkraftwerken beschrieben. Dafür werden in der Vorplanung der Modellent- wicklung zunächst die Ziele und zu erfüllenden Anforderungen definiert. Darauf aufbauend wird im nächsten Schritt ausführlich auf die Modellierung eingegangen. Die entwickelten Modelle werden an- schließend durch eine geeignete Softwarelösung implementiert und auf Plausibilität überprüft. 5.1 Methodik In einem Energiesystem mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien stellt sich zunehmend die Frage, wie dieses System auf technischer und ökonomischer Ebene optimiert werden kann. So ist in- nerhalb der letzten 20 Jahre die Anzahl wissenschaftlicher Artikel, in denen Optimierungsalgorithmen auf das Themenfeld der erneuerbaren Energien angewandt wurden, überproportional gestiegen [12]. Dabei hängt die Auswahl des eingesetzten Verfahrens stark vom Einzelfall ab. Dennoch haben sich in verschiedenen Bereichen mit ähnlichen Fragestellungen gewisse Standardverfahren etabliert. Für die Betriebsoptimierung oder auch Einsatzplanung (auf Englisch Unit Commitment (UC)) von Kraft- werken und Speichern am Markt existieren diverse Verfahren. Ein breiter Überblick über die verschie- denen Methoden wird in [13] gegeben, während [14] verschiedene Verfahren mit dem Fokus auf der kurzfristigen Betriebsoptimierung untersucht. Neben der Anwendung regelbasierter Verfahren (Heu- ristiken) und dynamischer Programmierung, wie sie beispielsweise in [15] verwendet werden, kommt in der Betriebsoptimierung häufig die lineare, gemischt-ganzzahlige und nichtlineare Programmierung zum Einsatz [16] [17]. Dabei ist der Aufwand zur Lösung eines gemischt-ganzzahligen Problems höher als bei einem rein line- aren Problem. Kommen zusätzlich noch Nichtlinearitäten hinzu, erhöht sich dieser nochmals [18]. Häu- fig können nichtlineare Probleme jedoch durch spezielle Ansätze oder vereinfachende Annahmen li- near hinreichend genau abgebildet werden [19]. Aufgrund der häufigen Anwendung im Bereich der Kraftwerkseinsatzplanung und der guten Verfügbarkeit von übertragbarer Fachliteratur [20] [21] soll im Rahmen dieses Projekts für die Betriebsoptimierung das Verfahren der gemischt-ganzzahligen line- aren Programmierung verwendet werden. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 45/190 5.2 Modellierung Prozess der Modellentwicklung Die Modellentwicklung soll innerhalb einer klar strukturierten, inkrementellen Vorgehensweise erfol- gen. Daher wird der Entwicklungsprozess in drei aufeinander aufbauende Schritte aufgeteilt. Im ersten Schritt werden die Ziele und Anforderungen für die Modellentwicklung definiert. Anschließend wird das Modell abstrakt in mathematischer Form dargelegt und abschließend praktisch implementiert so- wie auf Plausibilität getestet. Die Trennung der Schritte ermöglicht es die allgemeingültige mathematische Beschreibung des Mo- dells auf Basis der zuvor definierten Ziele und Anforderungen, unabhängig von der späteren Imple- mentierung, vorzunehmen und zu beschreiben. So könnte das formulierte Modell beispielsweise von Außenstehenden unabhängig unter Zuhilfenahme einer anderen Modellierungsumgebung implemen- tiert werden. Die gewählte Vorgehensweise unterstützt somit eine gute wissenschaftliche Praxis im Bereich des Scientific Computing [22]. Zielsetzung und Anforderungen Das Modell soll es erlauben verschiedene Druckluftspeicherkonzepte in ihrem Betriebsverhalten am Spot- und Regelleistungsmarkt abzubilden. Dabei soll das Betriebsergebnis durch die Zwischenspeiche- rung und anschließende Vermarktung von Strom sowie durch die Bereitstellung von Regelleistung ma- ximiert werden. Als konkrete Betriebsszenarien sollen die Vermarktung der Leistung am Day-Ahead Spotmarkt sowie die Teilnahme am Markt für positive und negative Minutenreserve abgebildet wer- den. Der Terminmarkt wird hingegen vernachlässigt, da dieser größtenteils von den erwarteten Preis- entwicklungen des Spotmarktes abhängt und somit von keinem monetären Zusatznutzen auszugehen ist [23]. Die Teilnahme an den verschiedenen Märkten soll zudem sowohl einzeln als auch parallel möglich sein. Als Eingangsdaten des Modells werden die Parameter eines konkreten Kraftwerks und Preiszeitreihen für die verschiedenen Märkte verwendet. Die Kraftwerksparameter können dabei aus thermodynami- schen Berechnungen oder einschlägiger Fachliteratur stammen, während die Preiszeitreihen entweder durch historischen Quellen, Prognosen oder übergeordneten Energiesystemsimulationsmodelle vor- gegeben werden. Zudem müssen anfallende Brennstoffkosten der Wärmezufuhr und etwaige Zusatz- kosten für den Bezug von Strom berücksichtigt werden. Als Ausgangsdaten sollen Zeitreihen für einen Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 46/190 kostenoptimalen Fahrplan des Kraftwerks an verschiedenen Märken generiert werden. Abbildung 8 zeigt eine Skizzierung des Modells nach dem Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA- Prinzip). Für die Optimierung an den Märkten soll zunächst von einer perfekten Voraussicht (perfect foresight) auf die zukünftigen Preise ausgegangen werden. Somit werden zeitliche Unterschiede zwischen den Handelszeitpunkten, wie beispielsweise der Gebotsabgabe am Minutenreservemarkt um 10 Uhr und der Day-Ahead-Auktion um 12 Uhr, nicht berücksichtigt. Auch Handelsstrategien, wie etwa Gebots- strategien am Regelleistungsmarkt, werden vorerst nicht betrachtet. Neben der grundsätzlichen Erfüllung der Zielsetzung werden noch weitere Anforderungen an das Mo- dell gestellt. Diese betreffen die Umsetzung des Modells im Hinblick auf die konkrete Modellierung und die Wiederverwendbarkeit. Daher werden sie im folgenden Abschnitt getrennt von der eigentli- chen Zielsetzung erläutert. Die Modellierung soll so generisch erfolgen, dass verschiedene Konzepte dargestellt werden können. Dies bedeutet, dass die Modellierung nicht bis auf die Komponentenebene erfolgt, sondern die einzel- nen Teile des Kraftwerks als eine Schaltung verschiedener Komponenten betrachtet werden. Zusätzlich soll das Modell ausgehend von dieser Abbildungsart einfach erweiterbar sein. So sollen ohne tiefgrei- fende Anpassungen auch andere Energiespeicherkonzepte integriert werden können. Die mathematische Beschreibung und Erstellung des Modells soll dabei strikt vom nachgelagerten Lö- sen des Problems getrennt werden. Dies stellt sicher, dass das Problem im ersten Schritt unabhängig von der verwendeten Software formuliert wird. Weiterhin soll die Trennung der Modellerstellung vom Abbildung 8: Skizzierung des Modells zur Betriebsoptimierung eines Druckluftspeicherkraftwerks Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 47/190 späteren Lösen die Anwendung verschiedener Solver erlauben. Dadurch soll beispielsweise beim Auf- treten etwaiger Nichtlinearitäten die Verwendung eines Solvers für quadratische Probleme möglich sein. Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Zeitauflösungen stellt eine wesentliche Anforderung an das Modell dar. Diese ergibt sich unter anderem daraus, dass diverse an den entsprechenden Märkten handelbare Produkte dargestellt werden müssen. So erfolgt beispielsweise die Leistungsvorhaltung am deutschen Markt für Minutenreserve in vierstündigen Intervallen, während die Abrufe innerhalb eines Viertelstundenrasters erfolgen. In anderen Ländern gelten am Regelleistungsmarkt hingegen andere Verbindlichkeiten für die gehandelten Produkte. Weiterhin bietet auch der Spotmarkt die Möglichkeit mit verschiedenen Produkten zu handeln. Auch wenn ein Speicherkraftwerk in erster Linie auf kurze Produkte zu Spitzenlastzeiten abzielen wird, sollte die Möglichkeit vorbehalten werden auch andere Produkte zu platzieren. Die im Rahmen der Modellierung zu erfassenden Kosten und Erlöse sollen sich lediglich auf den Betrieb des Kraftwerks beziehen. Hier fallen sowohl Kosten für die zugeführte Wärme, als auch für den am Spotmarkt bezogenen Strom an. Weiterhin sind für den aus dem Netz bezogenen Strom, auch im Falle der Lieferung negativer Regelleistung, Letztverbraucherabgaben zu entrichten. Den Kosten gegenüber stehen die Erlöse für den am Spotmarkt verkauften Strom und der Vorhaltung sowie Erbringung von Minutenreserve. Neben der Möglichkeit einer manuellen Parametrierung soll die Übergabe der benötigten Eingangs- zeitreihen an das Modell sowie das Speichern der Optimierungsergebnisse über eine Datenschnitt- stelle erfolgen. Diese soll Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Datenformate bieten. So könnte es beispielsweise für ein Projekt von Vorteil sein, die Eingangsdaten im CSV-Format bereitzustellen, wäh- rend in einem anderen Projekt eine relationale Datenbank präferiert wird. Beide Fälle sollen im Rah- men der Modellerstellung beachtet werden, was voraussetzt, dass das Modell und die Daten strikt voneinander getrennt werden. Über diese Datenschnittstelle soll gleichermaßen der Datenaustausch mit übergeordneten Energiesystemmodellen möglich sein. So wäre es beispielsweise möglich die für zukünftige Szenarien eines Energiesystems berechneten Preiszeitreihen als Eingangsparameter des Modells zu verwenden. Die einfache Benutzbarkeit und Zugänglichkeit des Modells stellt eine weitere wesentliche Anforde- rung dar. Demnach sollen auch Benutzer ohne tiefgehende Modellierungs- und Programmierkennt- nisse das Modell nach kurzer Einarbeitungszeit benutzen und mit den Ergebnissen weiterarbeiten kön- nen. Zudem soll der Quelltext für etwaige Änderungen oder Erweiterungen zugänglich gestaltet sein. Daher wird als zu verwendende Sprache für die Programmierung sowie ausführliche Kommentierung und Dokumentation Englisch festgelegt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 48/190 Weiterhin soll die Implementierung des Modells durch frei verfügbare und nutzbare Software erfolgen. Dies schließt wiederum nicht aus, dass für Teilkomponenten des Modells auf kommerzielle Produkte zurückgegriffen wird. Trotzdem sollte für die Grundfunktionalität stets eine freie Variante zur Verfü- gung stehen. So wird sichergestellt, dass das Modell auch in anderen Projekten am Zentrum für nach- haltige Energiesysteme (ZNES) oder externen Projekten ohne entsprechende Lizenzmodelle genutzt und angepasst werden kann. Allgemeiner Modellaufbau Aus den im vorigen Abschnitt definierten Anforderungen ergibt sich der logische Aufbau für die Ge- samtstruktur des Modells zur Betriebsoptimierung eines Druckluftspeicherkraftwerks. Diese setzt sich aus Einzelkomponenten des Modells sowie den zwischen diesen notwendigen Datenflüssen zusam- men. Abbildung 9 zeigt die aus den Modellanforderungen resultierende Gesamtstruktur. Es wird deutlich, dass der Optimierungsteil aus vier Einzelschritten besteht. Zunächst werden die Ein- gangsdaten aus der manuellen Parametrierung und den über die Datenschnittstelle geladenen Zeit- rehen aggregiert. Diese werden dann an das Modell übergeben, das wiederum aus der mathemati- schen Beschreibung hervorgeht. Das mit den Daten parametrierte, mathematische Modell wird an- Abbildung 9: Gesamtstruktur des Modells mit den Einzelkomponenten und Datenflüssen Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 49/190 schließend zum Lösen an den Solver übergeben. Im letzten Schritt erstellt der Solver die Ausgangsda- ten bzw. Optimierungsergebnisse. Diese können dann über die Datenschnittstelle gespeichert werden. Weiterhin können über die Datenschnittstelle Marktpreise aus übergeordneten Energiesystemmodel- len importiert oder Daten für nachgelagerte Berechnungen, wie etwa die Bestimmung von wirtschaft- lichen Betriebsergebnissen, exportiert werden. Abstraktes Modell der Technologie Der vereinfachte Speicherzyklus eines Druckluftspeicherkraftwerks besteht für alle Konzepte aus dem Kompressionsvorgang, dem Expansionsvorgang sowie der mechanischen Massenspeicherung und op- tional der thermischen Speicherung. Unter der Prämisse, dass der Fokus des Modells auf einer Be- triebsoptimierung liegt und lediglich die wesentlichen physikalischen Restriktionen der Kraftwerkskon- zepte abgebildet werden müssen, basiert die weitere Modellierung auf der Aufteilung des Speicherzyk- lus in diese Elemente. Im nächsten Schritt wird die benötigte Abbildungstiefe des Modells definiert. Hier ist eine Abbildung des Kraftwerks über Energiebilanzen und Massenströme wie bei anderen thermische Kraftwerken [19] zwar generell möglich, aber entsprechend aufwändig. Vor allem ist diese aber ungünstig im Hinblick auf die Anwendung des Modells auf andere Speicher. Stattdessen werden die einzelnen Teile des Kraft- werks abstrahiert und damit eine einheitliche Basis für die mathematische Modellierung geschaffen. Das abstrakte Kraftwerksmodell ist Abbildung 10 dargestellt. Der abstrahierte Prozess beschreibt zunächst den Bezug elektrischer Leistung zum Antrieb des Kom- pressionsteils aus dem Netz. Dieser teilt sich zum einen in den aus dem Kompressionsteil abge- führten Verlust- _!"# sowie einen für den thermischen Speicher nutzbaren Wärmestrom #$_ und zum anderen in einen in einen abstrahierten Einspeicherexergiestrom für den Massenspeicher %$_ auf. Aus dem Speicherteil kann wiederum der abstrahierte Ausspeicherexergiestrom %$_!"# entnommen werden. Dieser geht zusammen mit dem zugeführten Wärmestrom _ bzw. im Falle eines thermischen Speicheranteils mit dem Wärmestrom #$_!"# aus dem thermischen Speicher, in Abbildung 10: Abstraktes Kraftwerksmodell als Grundlage der mathematischen Beschreibung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 50/190 den Expansionsteil ein, aus dem wiederum ein Verlustwärmestrom _!"# abgeführt wird. Als wei- tere Ausgangsgröße des Expansionsteils kann wiederum die elektrische Leistung des Generators in das Netz eingespeist werden. Die Zusammenhänge der einzelnen Größen untereinander werden detailliert innerhalb des nächsten Abschnitts erläutert. Mathematische Modellierung Nach der Abstraktion der einzelnen Teile des Kraftwerks wurde ein mathematisches Modell für die Betriebsoptimierung an den verschiedenen Märkten entwickelt. Hierfür müssen sowohl das Kraftwerk als auch die Märkte beschrieben werden. Dafür werden alle mit Kosten behafteten Größen in die Ziel- funktion aufgenommen. Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Größen können in entspre- chenden Nebenbedingungen (auf Englisch „Constraints“) formuliert werden. Zur besseren Übersicht wird nachfolgend nur eine Auswahl aller im Modell verwendeten Formulierungen erarbeitet. Diese werden ausführlich erläutert und zeigen exemplarisch das Vorgehen im Rahmen der Modellierung. In der Regel ist das Ziel einer Betriebsoptimierung eine Minimierung der betriebsgebundenen Kraft- werkskosten. Enthält die zu minimierende Zielfunktion zusätzliche Erlösterme, entspricht dies einer Maximierung des zu erzielenden Kraftwerksdeckungsbeitrags an den entsprechenden Märkten. Als Kosten gehen die Brennstoffkosten und Kosten für bezogenen Strom mitsamt der zu entrichtenden Letztverbraucherabgaben ein. Diesen gegenüber stehen Erlöse durch vorgehaltene Leistung und er- brachte Arbeit am Markt für negative und positive Minutenreserve sowie Erlöse am Spotmarkt. An dieser Stelle ist hervorzuheben, dass alle verwendeten Kostenterme energiespezifische Kosten darstel- len. Dies bedeutet, dass beispielsweise auch die für eine Zeitscheibe von vier Stunden gezahlten Leis- tungspreise am Minutenreservemarkt entsprechend umgerechnet werden. Im Folgenden ist die Ziel- funktion des Modells mit ihren einzelnen Termen beschrieben. Weiterhin müssen durch das Modell alle marktbedingten und physikalischen Restriktionen abgebildet werden. So wird beispielsweise die physikalisch verfügbare Leistung der Kompression bzw. Expansion Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 51/190 über entsprechende Gleichungen beschrieben. Die Aufteilung der Leistungen für den Kompressionsteil wird beispielsweise durch die folgende Gleichung beschrieben. Dies stellt sicher, dass die Summe der an den verschiedenen Märkten platzierten Leistung nicht die insgesamt physikalisch verfügbare Leistung überschreitet. Detaillierte thermodynamische Zusammenhänge können in der Regel nur in komplexen, nichtlinearen Modellen abgebildet werden. Um entsprechende Zusammenhänge trotzdem innerhalb eines linearen, gemischt-ganzzahligen Modells abzubilden, ist in verschiedenen Teil des Modells eine Reduktion der Komplexität erforderlich. In der folgenden Gleichung wird exemplarisch die Linearisierung der maximal verfügbaren Kompressionsleistung in Abhängigkeit des Druckluftspeichers beschrieben. Die maximal verfügbare Leistung wird mit einer linearen Funktion durch Verwendung eines konzept- spezifischen Multiplikators und einer entsprechenden minimalen Leistung bei Volllast approximiert, die den Fall eines nominal leeren Massenspeichers berücksichtigt. Die folgende Abbildung veranschaulicht exemplarisch den Einfluss der entsprechenden Linearisierung auf die Abbildungsgenauigkeit. In den meisten Fällen sind die berechneten Abweichungen zwischen exakter Simulation und linearisierter Funktion vernachlässigbar gering. Neben der Abbildung verschiedener Kostentypen können innerhalb des Modells verschiedene Druck- luftspeicherkonzepte spezifisch parametriert werden. Dies erlaubt beispielsweise die Definition von individuellen Lastbereichen für die verschiedenen Teile des Kraftwerks sowie die konzeptspezifische Abbildung 11: Exemplarische Linearisierung einer Kraftwerkscharakteristik Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 52/190 Aufteilung der auftretenden Wärme- und Exergieströme. Für jedes der untersuchten Konzepte wir ein Satz der folgenden Relationen abgebildet: Kompressionsteil • Kompressionsleistung-Füllstand-Charakteristik • Wärmeabfuhr-Kompressionsleistung-Charakteristik • Einspeicherexergiestrom-Kompressionsleistung-Charakteristik Expansionsteil • Expansionsleistung-Füllstand-Charakteristik • Wärmezufuhr-Expansionsleistung-Charakteristik • Ausspeicherexergiestrom-Expansionsleistung-Charakteristik Dabei entspricht der Füllstand dem Kavernendruck. Eine vollständige Beschreibung des Modells mitsamt aller Gleichungen kann dem Anhang I entnom- men werden. Zudem zeigt ein beispielhafter Satz von Kraftwerkscharakteristiken im Anhang E die grundsätzliche Darstellung des physikalischen Betriebsverhaltens. Implementierung Nach der Festlegung des Modellaufbaus und der mathematischen Modellierung wird eine geeignete Sprache für die Implementierung und Modellierung gewählt. Hier fällt die Wahl auf Python. Dies be- gründet sich in der Verfügbarkeit umfassender Bibliotheken für die Optimierung und Datenanalyse, der geforderten Flexibilität des Moduls hinsichtlich der Erweiterungsfähigkeit und des offenen Lizenz- modells. Für die mathematische Beschreibung des Optimierungsproblems wird das Paket Pyomo (Py- thon Optimization Modeling Objects) [24] verwendet. Pyomo ist ein in Python geschriebenes Open Source Softwarepaket für die Formulierung und Analyse von verschiedensten Optimierungsproblemen und wird unter einer freien Lizenz veröffentlicht. So können unter anderem lineare, quadratische, nichtlineare und gemischt ganzzahlige lineare Probleme algebraisch beschrieben und anschließend un- ter Verwendung verschiedener Standardsolver gelöst werden. Die Anwendung des Solvers ist dabei unabhängig von der jeweiligen Problemformulierung. Daher kann beispielsweise bei sehr großen Prob- lemen mit hoher Laufzeit auf einen schnelleren Solver zurückgegriffen werden ohne die gesamte Code- basis verändern zu müssen. Die Lösung des Optimierungsproblems erfolgt sowohl mit dem kommerziellen Solver gurobi [25] als auch mit der freien Alternative gpsol aus dem GNU Linear Programming Kit (GLPK) [26]. Beide bieten Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 53/190 verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten, sind verhältnismäßig einfach zu installieren und können direkt aus Pyomo adressiert werden. Neben der Realisierung einer freien Variante des Modells erlaubt die Verwendung von zwei Solvern eine bessere Einschätzung des Rechenaufwandes zur Lösung des Problems. So können Laufzeiten miteinander verglichen und daraus Schlüsse für die Verbesserung der Modellformulierung gezogen werden. Um die in den möglichen Betriebsszenarien ermittelten Märkte hinreichend abbilden zu können, müs- sen umfangreiche Preiszeitreihen für den Spot- und Regelleistungsmarkt berechnet und gespeichert werden. Für die Aufbereitung der Daten wird das Python-Paket pandas (Python Data Analysis Library) [27] verwendet. Dies stellt einfach zu nutzende Datenstrukturen und Werkzeuge bereit, um die Roh- daten in ein einheitliches Format zu überführen, und ist dabei umfassend dokumentiert. Das auf dieses Weise implementierte Einsatzmodell findet sich auf dem beiliegenden Datenträger und ist online verfügbar [28]. 5.3 Modellvalidierung Die Plausibilitätsprüfung des Modells erfolgt durch die Generierung von Zufallspreiszeitreihen. So wer- den in jedem Optimierungslauf für die einzelnen Kostenpositionen des Kraftwerks Zufallszahlen inner- halb der üblichen Bandbreite generiert. Weiterhin werden als Restriktionen exemplarische Leistungen für den Kompressions-, Expansions- und Speicherteil angenommen. Die Optimierungsergebnisse wer- den dann anschließend in einem Plot visualisiert und kontrolliert. Zusätzlich überprüft eine dafür ent- wickelte Funktion die die Gültigkeit der Ergebnisse. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Opti- mierungshorizont nicht mehr visuell darstellbar ist oder die Ergebnisse ohne visuelle Ausgabe gespei- chert werden sollen. Die Plausibilität des Modells konnte in zahlreichen Testläufen sichergestellt werden. Die Ergebnisse entsprechen dabei durchgehend dem erwarteten Verhalten des Kraftwerks. So erfolgt die Einspeiche- rung von Strom in Zeiten niedriger Strompreise, während die Rückverstromung stattfindet, wenn der Stromverkaufspreis möglichst weit über den Kosten liegt. Weiterhin wird bei einem Abruf von Regel- leistung in der jeweiligen Zeitscheibe die Leistung vorgehalten und der Abruf erbracht. Zudem werden die für die Komponenten definierten Restriktionen in jedem Zeitschritt eingehalten. So bewegen sich die Leistungen des Kompressions-, Expansions- und Speicherteils in jedem Zeitschritt innerhalb des zulässigen Wertebereichs. Ein exemplarischer, kostenoptimaler Fahrplan ist in Abbildung 12 zu sehen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 54/190 Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des entwickelten Modells zur Betriebsoptimierung eines Druck- luftspeicherkraftwerks wurde somit nachgewiesen. Abbildung 12: Exemplarischer kostenoptimaler Fahrplan als Ergebnis des Betriebsoptimierungsmodells Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 55/190 6 Abbildung des Versorgungssystems Im folgenden Kapitel werden die Abbildung des Versorgungssystems und die Modellierung seiner Ent- wicklung innerhalb zukünftiger Szenarien beschrieben. Dafür wird zunächst die allgemeine Methodik dargelegt. Anschließend wird auf die konkrete Modellierung eingegangen und die Datenbasis darge- legt. Abschließend erfolgt nach einer umfangreichen Modellvalidierung die Darstellung der ermittelten Day-Ahead-Marktpreiszeitzeihen, die gleichzeitig die Eingangsdaten für das in Kapitel 5 beschriebene Betriebsmodell darstellen. 6.1 Methodik Aktuelle Marktteilnahme von Speicherkraftwerken Um die aktuelle Marktteilnahme von Speicherkraftwerken abzubilden, werden historische Zeitpreis- reihen der jüngeren Vergangenheit verwendet. Hierbei sind sowohl die Marktteilnahme am Spot- als auch am Regelleistungsmarkt zu berücksichtigen. Dadurch wird einerseits eine aktuelle und realitäts- nahe Abbildung des das Druckluftspeicherkraftwerk umgebenden Versorgungssystems gewährleistet. Darüber hinaus kann so andererseits auch grundsätzlich der Einfluss von stochastisch auftretenden Nichtverfügbarkeiten von Einzelanlagen oder anderer Unvorhersehbarkeiten auf die Preisbildung be- rücksichtigt werden, der sich für die zukünftige Entwicklung schwer vorhersagen und daher schlecht abbilden lässt. Schließlich gewährleistet die Verwendung konsistenter Spot- und Regelmarktdaten auch die gegenseitigen Wechselwirkungen dieser Märkte untereinander. Die historischen Marktdaten werden außerdem auch benutzt, um Unterschiede zwischen realen Marktdaten und solchen Zeitpreisreihen zu diskutieren, die zukünftige Entwicklungen des Versor- gungssystems abbilden sollen. Darauf wird im Zusammenhang mit der Validierung des für die Abbil- dung zukünftiger Versorgungssysteme verwendeten Energiesystemmodells im betreffenden Abschnitt noch genauer eingegangen. Entwicklung des Versorgungssystems Um Zeitpreisreihen zu generieren, die eine Weiterentwicklung des Versorgungssystems abbilden, wird ein numerisches Marktmodell verwendet. Für die Marktintegration erneuerbarer Energien ist insbe- sondere der Day-Ahead-Markt von großer Bedeutung, da die Vermarktung hier kurzfristig auf Basis entsprechender Vortagsprognosen für deren wetterabhängige volatile Einspeisung erfolgt. Mit einem Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 56/190 zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien ist somit auch von einer stärkeren Relevanz des Spotmark- tes auszugehen. Daher gewinnt dessen Modellierung für die Bewertung zukünftiger Entwicklungen des Energiesystems zunehmend an Bedeutung. Dies gilt insbesondere für die wirtschaftliche Bewertung von Großspeichertechnologien, wie beispielsweise von Druckluftspeicherkraftwerken, die ihre Erlöse aus dem kurzfristigen Kauf und Verkauf von Strom erzielen. Für die Fortschreibung des Versorgungs- systems werden daher Preiszeitreihen für den Spotmarkt generiert. Ursprünglich sollte dazu das am Zentrum für nachhaltige Systeme mit Open-Source-Software entwi- ckelte Simulationsmodell renpass (Renewable Energy Pathways Simulation System) verwendet wer- den. Mit Hilfe dieses Modells können zeitlich hochaufgelöste Daten zum Einsatz und Status unter- schiedlicher Erzeuger im betrachteten Energieversorgungssystem sowie über den Im- und Export zwi- schen einzelnen Netzregionen und resultierende Preise gewonnen werden. Diese Daten sind für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer konkreten Kraftwerksanlage unverzichtbar. Mittlerweile wurde jedoch das Nachfolgemodell des ursprünglichen Modells „renpass“ innerhalb des ebenfalls neu entwi- ckelten Open Energy Modelling Frameworks (oemof) „renpassG!S“ entwickelt. Die Endung „G!S“ ergibt sich durch die Erweiterung des Funktionsumfangs, der neuerdings auch die Nutzung eines Geoinfor- mationssystems (GIS) umfasst. Dieses neuere und umfangreichere Modell wird nun auch im Projekt DLSK-SH für Berechnungen von Zeitpreisreihen zukünftiger Versorgungssysteme benutzt. Zur gesonderten Berücksichtigung der in Verbindung mit der Modellierung von Energieversorgungs- systemen auftretenden Unsicherheiten sollen neben zwei Basisszenarien für die Modelljahre 2025 und 2035 die Einflüsse zentraler fundamentaler Größen auf die Preisbildung untersucht werden. Auf Basis der so generierten Preispfade kann im weiteren Verlauf der Arbeit eine integrierte Bewertung der Druckluftspeichertechnologie hinsichtlich verschiedener Entwicklungspfade des Energieversorgungs- systems erfolgen. Der Einfluss der folgenden Eingangsgrößen auf den Kraftwerkseinsatz und die Preisbildung soll im Rah- men der Arbeit überprüft werden: • Preise für Emissionszertifikate (Szenario „co2“) • Höhe der Stromnachfrage (Szenario „demand“) • Installierte Leistung an Windkraft & Photovoltaik (Szenario „ee“) • Preise für Brennstoffe (Szenario „fuel“) • Kapazität des deutsch-norwegischen Seekabels (Szenario „nordlink“) Dafür wird, ausgehend vom jeweiligen Szenario, die jeweilige Größe um 25 % verringert bzw. erhöht und anschließend der Einfluss durch die Berechnung eines entsprechenden Szenarios quantifiziert. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 57/190 Dies ermöglicht die Prüfung des Einflusses einer großen Bandbreite verschiedener möglicher Entwick- lungspfade des Energieversorgungssystems auf den wirtschaftlichen Betrieb von Druckluftspeicher- kraftwerken. Zur Wahrung der Flexibilität bezüglich des Einsatzes verschiedener Energiemarktmodelle wurde die Schnittstelle zum entwickelten Modell zur Betriebsoptimierung durch die Verwendung von Preiszeit- reihen bewusst offen und universell nutzbar gestaltet. Diese werden vom übergeordneten Modell in geeigneten Szenarien generiert und können automatisiert an das Modell der Betriebsoptimierung übergeben werden. 6.2 Modellierung mit renpassG!S Modelle für die Abbildung und Analyse von Energiesystemen haben häufig keinen öffentlich zugängli- chen Quelltext, keine frei nutzbaren Daten und sind schlecht dokumentiert. Diese Intransparenz ver- langsamt den wissenschaftlichen Diskurs hinsichtlich der Modellqualität im Hinblick auf bestimmte Aufgabenstellungen. Zudem werden im Bereich der Energiesystemanalyse Modelle häufig nur für eine bestimmte Anwendung entworfen und erlauben keine bzw. nur eine aufwendige Anpassung an andere Anforderungen. Um dem entgegen zu treten, wird im Rahmen des Projekts das Marktmodell renpassG!S verwendet. Dieses integriert in Teilbereichen vorhandene Ansätze des Vorgängermodells „renpass“ [29] und wurde mittlerweile unter einer offenen und freien Lizenz veröffentlicht [30]. Bei renpassG!S handelt es sich um ein Fundamentalmodell auf Basis des Frameworks oemof. Im Anhang J finden sich eine ausführlichere Darstellung des zugrunde liegenden Frameworks, eine Diskussion zur Verwendung von Fundamentalmodellen in der Marktmodellierung sowie eine kritische Reflektion der mit deren Anwen- dung verbundenen Unsicherheiten. Das Modell berechnet, regional und temporal aufgelöst, den kostenoptimalen Einsatz der Kraftwerke in der gemeinsamen Marktregion Deutschland/Österreich/Luxemburg sowie den deutschen Anrainer- staaten unter Berücksichtigung technischer und ökonomischer Nebenbedingungen in stündlicher Auf- lösung. Dabei wird der Kraftwerkseinsatz durch Minimierung aller Variablen, d. h. mit dem Kraftwerks- betrieb verbundenen Erzeugungskosten, optimiert. Abbildung 13 zeigt die geographische Auflösung des Modells. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 58/190 Abbildung 13: Modellierte Marktregionen auf Basis von [31] Als Eingangsdaten gehen stündlich aufgelöste Lastdaten, thermische Kraftwerke mit technischen und ökonomischen Parametern, stündlich aufgelöste Einspeisezeitreihen erneuerbarer Energien, sowie die nutzbaren Austauschkapazitäten in die Optimierung ein. Politische Rahmenbedingungen könnten, ne- ben der Annahme szenariospezifischer Kosten bzw. technischer Parameter, durch die Implementie- rung geeigneter Nebenbedingungen (Constraints) implementiert werden. So wäre es beispielsweise auch möglich die CO2-Emissionen des Kraftwerksparks auf einen exogen vorgegebenen Maximalwert zu beschränken. Nach Ablauf der Optimierung liefert das Modell als Ausgangsdaten den regional auf- gelösten, stündlichen Einsatz der verschiedenen Kraftwerke, den physikalischen Austausch zwischen einzelnen Energieregionen, die Grenzerzeugungskosten, die als Day-Ahead-Marktpreise interpretiert werden, sowie weitere Parameter des berechneten Energiesystems. Abbildung 14 veranschaulicht die Funktionsweise und den Gesamtumfang des Modells. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 59/190 Abbildung 14: Funktionsweise des Modells zur Berechnung von Spotmarktpreisen Auf die Definition als gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsproblem, wie sie für die ausführliche Berücksichtigung von beispielsweise Mindeststillstands-bzw. Laufzeiten nötig wäre, wird im Rahmen der Modellierung von möglichen zukünftigen Marktpreisen bewusst verzichtet, da viele der Funda- mentalfaktoren entweder schwierig prognostizierbar oder mit großen Unsicherheiten belegt sind. Eine Berücksichtigung des Wärmemarktes wird im Rahmen der Modellierung ebenfalls nicht vorgenom- men, da die Entwicklung geeigneter Annahmen den Rahmen dieses Projektes sprengen würde und der Mehrwert hinsichtlich der generierten Preise fraglich ist. Die rein lineare Formulierung lässt eine direkte Interpretation der Preise zu. So können in rein linearen Optimierungsmodellen die dualen Variablen der elektrischen Lastdeckungsgleichung als sich einstel- lende Grenzpreise am Markt interpretiert werden [32] [33]. Für eine ≥ Ungleichung in einem Minimie- rungsproblem (Maximierungsproblem) gilt, dass ein positiver dualer Wert einen Zuwachs der Zielfunk- tion (also eine Verschlechterung) bei jeder Einheitserhöhung des Wertes der rechten Seite der Neben- bedingung verursacht [21]. Da die Lastdeckungsgleichung im Modell intern durch zwei äquivalente Un- gleichungen („≥“ und „≤“ entspricht =“) repräsentiert ist, entspricht dieser Wert der nächsten Einheit Strom, die für einen bestimmten Preis produziert wird und damit dem Grenzpreis am Markt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 60/190 Die Modellierung zielt ab, die wesentlichen Zusammenhänge zwischen den fundamentalen Preistrei- bern adäquat zu modellieren und deren Einfluss im Rahmen geeigneter Sensitivitätsanalysen abzubil- den. Die daraus generierten Ergebnisse ermöglichen eine Analyse der wesentlichen systemischen Zu- sammenhänge in zukünftigen Energieversorgungssystemen und deren Quantifizierung im Hinblick auf den Einfluss auf die Marktpreisbildung. Die Definition als rein lineares Programm ermöglicht zudem eine vertretbare Laufzeit. Durch die lineare Formulierung des Problems ist es weiterhin möglich, die regionale Auflösung auf Deutschland mitsamt angrenzender Nachbarländer zu erweitern. Dies ermög- licht die Betrachtung von Entwicklungspfaden innerhalb des gesamten europäischen Energiesystems. Folglich können durch die Verwendung dieses Ansatzes auch komplexe, länderübergreifende techni- sche und wirtschaftliche Wechselwirkungen analysiert werden. 6.3 Datengrundlage Historische Marktdaten Für die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit wird auf historische Daten der EEX und des Regel- leistungsmarktes aus den Jahren 2012 bis 2014 zurückgegriffen, da in diesen Jahren eine starke Zu- nahme des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung, mit einem entsprechenden Einfluss auf den Markt, zu verzeichnen war [34]. Die Börsendaten stammen von der Transparenzplattform der EEX [35], während die Daten des Regelleistungsmarktes für den gesamten Netzregelverbund von der gemeinsamen Internetplattform der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Ausschreibung von Re- gelleistung [36] bezogen wurden. Die Aufbereitung und Speicherung der Daten erfolgt automatisiert über entsprechende Skripte. Diese lesen die EEX- bzw. Minutenreserve-Daten aus den vorliegenden Excel- bzw. CSV-Dateien aus, bereiten diese auf und importieren sie anschließend in die Datenbank. Alle weiteren Berechnungen auf Basis des mit etwa 4,5 Millionen Auktionsgeboten relativ umfangreichen Datensatzes wurden datenbank- seitig durch den Einsatz von SQL (Structured Query Language) realisiert. Für die stündlichen Preise des Day-Ahead-Marktes mussten keine zusätzlichen Berechnungen vorgenommen werden. Die Leistungs- und Arbeitspreise für Minutenreserve wurden hingegen nach dem Import aus den zugrundeliegenden Auktionsdaten ermittelt. So wurde über Datenbankabfragen für alle Zeitscheiben positiver und nega- tiver MRL der jeweilige Grenzpreis, Median, Mittelwert und Minimalpreis für die zur Verfügung ge- stellte Leistung (Leistungspreis) und Arbeit (Arbeitspreis) berechnet. Die Abbildung 15 zeigt schema- tisch die Ermittlung der Preise. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 61/190 Die statistischen Lageparameter für die Leistungspreise gehen aus den veröffentlichten Auktionsdaten hervor, während für die Arbeitspreise die Abrufhöhe in der jeweiligen Zeitscheibe berücksichtigt wer- den muss, da der Arbeitspreis nur für die physische Lieferung von Strom gezahlt wird. Die Parameter des jeweiligen Abrufs wurden aus allen Angeboten bis zum Grenzangebot (letztes abgerufenes Ange- bot) berechnet. Die für eine gesamte Zeitscheibe von vier Stunden ermittelten Leistungspreise werden zudem in stündliche Preise umgerechnet. Anschließend werden die berechneten Daten in einer ge- meinsamen Tabelle gespeichert. Alle Berechnungen sind in detailliert in kommentierter Form [37] zu entnehmen. Im Anschluss wird das allgemeine Vorgehen bei der Preisberechnung durch einen Vergleich mit den auf der gemeinsamen Internetplattform der Übertragungsnetzbetreiber veröffentlichten mittleren Leistungspreisen und Grenzleistungspreisen validiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass die be- rechneten und veröffentlichten Grenzleistungspreise identisch sind, während die ermittelten mittleren Abbildung 15: Exemplarische Ermittlung der Grenzarbeitspreise innerhalb einer Zeitscheibe Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 62/190 Leistungspreise leichte Abweichungen aufweisen. Diese sind im Wesentlichen auf zwei mögliche Feh- lerquellen zurückzuführen. Zum einen tritt durch die in einer Genauigkeit von drei Nachkommastellen vorliegende, anonymisierte Angebotsliste mit jeweils über 200 Preis-Mengen-Kombinationen pro Pro- dukt und Tag eine gewisse Fehlerfortpflanzung auf. Zum anderen tritt eine Ungenauigkeit bei der Be- rücksichtigung des Grenzangebots auf, da dieses in der Realität auch eingekürzt bezuschlagt werden kann [38], was aus den vorliegenden Rohdaten aber nicht zu entnehmen ist. Trotz der leichten Abwei- chungen stellen die ermittelten Preise ein ausreichend genaues Ergebnis auf Basis der verfügbaren Datengrundlage dar. Da die Arbeitspreise, erweitert um die Berücksichtigung der Abrufhöhe, auf die gleiche Weise ermittelt wurden, sind diese ebenfalls als repräsentativ einzustufen. Entwicklung des Versorgungssystems Im Rahmen der Modellierung wurden die installierten Kraftwerkskapazitäten für Deutschland und alle netztechnisch verbundenen Anrainerstaaten aus dem Szenario B („Best estimate“) der Versorgungssi- cherheitsprognose für die Jahre 2014 und 2025 verwendet. Dieses Szenario stellt zugleich die Basis für die Modellierung des deutschen Netzentwicklungsplans (NEP) durch die Bundesnetzagentur dar [39]. Für das Jahr 2035 wurden hingegen die Erzeugungskapazitäten des Szenarios „Vision 3: Green Transi- tion“ aus dem 10-Jahres-Netzentwicklungsplans herangezogen. Wie bereits zuvor beschrieben stellt dieses einen möglichen Entwicklungspfad des europäischen Energiesystems dar, der unter anderem durch hohe CO2-Preise und niedrige Primärenergiepreise geprägt ist, dabei aber von einer progressiven Durchdringung des Energiesektors durch erneuerbare Energien bis ins Jahr 2030 ausgeht. Die Verwen- dung der für das Jahr 2030 progressiven Annahmen für das Szenariojahr 2035 kann somit als ein in der Tendenz moderateres Szenario im Hinblick auf die Integration erneuerbarer Energien interpretiert werden. Eine Ausführliche Diskussion zur Wahl des Szenariorahmens findet sich im Anhang J. Tabelle 9 zeigt die in Deutschland installierten Kapazitäten innerhalb der Basisszenarien. Es wird deut- lich, dass der Anteil fossiler Energieträger zukünftig abnimmt und die durch die Bundesregierung be- schlossene Abschaltung der Kernkraft im Jahr 2022 innerhalb der Szenarien erwartungsgemäß berück- sichtigt wird. Zudem wird die Flexibilität, die für den Ausgleich eines steigenden Anteils erneuerbarer Energien benötigt wird, durch die Installation von Gas-, Biomasse-, Speicherwasser-, Laufwasser und Pumpspeicherkraftwerken bereitgestellt. Dies ist trotz installierter Überkapazitäten an erneuerbaren Energieträgern zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit notwendig, da diese durch ihren darge- botsabhängigen, volatilen Charakter unter Umständen - beispielsweise bei langer Windflaute – zeit- weise nicht zur Verfügung stehen. Alle installierten Kapazitäten können dem der Arbeit beigefügten Datenträger entnommen werden und entsprechen den öffentlich zugänglichen Szenariodaten [31]. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 63/190 Tabelle 9: Innerhalb der Basisszenarien installierte Kapazitäten innerhalb Deutschlands Installierte Kapazität in GW Technologie 2014 2025 2035 Kernkraft 12,97 0 0 Braunkohle 21,24 15,43 13,17 Steinkohle 30 24,94 22,63 Gas 28,46 27,23 41,26 Öl 3,45 1,65 1,2 Sonstige Brennstoffe 0 0 0 Biomasse 5,88 8,7 11,1 Windkraft 36,61 67,7 85 Photovoltaik 38,07 56 68,8 Lauf-/Speicherwasser 4,4 4,7 5,1 Pumpspeicher 6,35 10,71 10,55 Die Abbildung zukünftiger länderübergreifender Austauschkapazitäten (NTCs) für die Jahre 2025 und 2035 erfolgt durch die Verwendung der NTC-Matrix der ENTSO-E für das Jahr 2030, da diese die einzige geschlossene Informationsquelle zur zukünftigen Entwicklung der länderübergreifenden Übertra- gungskapazitäten darstellt. Innerhalb der NTC-Matrix werden sowohl mittelfristige als auch langfristige Bauvorhaben innerhalb Europas auf Übertragungsnetz- und Hochspannungsebene berücksichtigt [31]. Abbildung 72 im Anhang J zeigt einen Ausschnitt der mittelfristig geplanten Bauvorhaben innerhalb des europäischen Stromnetzes, deren Fertigstellung vor 2019 terminiert ist. Daraus wird deutlich, dass sowohl die geplante direkte Verbindung des deutschen und norwegischen Stromnetzes durch eine bidirektionale Hochspannungs -Gleichstrom-Übertragung bis ins Jahr 2017 („Nordlink-Kabel“), als auch länderübergreifende Erweiterungen des Übertragungsnetzes berücksichtigt werden. Für die Abbildung von nicht innerhalb der TYNDP-Szenarien aufgeführten bzw. sensiblen Parametern wurden weitere Literaturquellen und eigene Annahmen herangezogen. So werden beispielsweise zu- künftige Brennstoff- und CO2-Preise sowie variable und fixe Kraftwerkskosten auf Basis von Literatur- werten angenommen. Hierbei sei zu erwähnen, dass alle technologiespezifischen Parameter als zeit- lich und geographisch konstant angenommen werden, also zukünftig mit konstanten Wirkungsgraden, Emissionsfaktoren, spezifischen Kosten und Verfügbarkeiten gerechnet wird. Standortabhängige Kos- ten, wie beispielsweise Transportkosten für Braun- oder Steinkohle, werden somit nicht erfasst. Ta- belle 10 zeigt die im Rahmen der Modellierung verwendeten technologiespezifischen Parameter. Mit Blick auf die Problemgröße und die damit verbundene Rechenzeit wurden Vereinfachungen be- züglich der Modellierungstiefe vorgenommen. Für die Anrainerstaaten wurde jeweils nur ein Block pro Energieträger (z. B. Braunkohle) mit konstantem Wirkungsgrad angenommen, der durch das arithme- tische Mittel der ENTSO-E Wirkungradspannbreite pro Energieträger vorgegeben ist. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 64/190 Tabelle 10: Technologiespezifische Parameter innerhalb der Basisszenarien Technologie Wirkungsgrade in % Emissionsfaktor in tCO2/GJ Fixe Kosten in €/MW Variable Kosten * in €/MWh Verfügbarkeit in % Kernkraft 30 - 35 0,03168 55.000 0,5 85 Braunkohle 30 - 46 0,37836 39.000 4,4 85 Steinkohle 30 - 46 0,33624 35.000 4 85 Gas 25 - 60 0,20124 19.000 2 85 Öl 25 - 43 0,26388 6.000 1,5 85 Sonstige Brennstoffe 26 0,33012 16.500 23 85 Biomasse 38 0,0072 29.000 3,9 85 Lauf-/Speicherwasser 100 - - - 65 Pumpspeicher 90 / 90 - - - 85 * Sonstige variable Kosten ohne Kosten für Brennstoffe und CO2-Zertifikate Bei der Modellierung der deutschen Kraftwerke wurde hingegen die pro Energieträger installierte Leis- tung - bis auf Biomassekraftwerke, die aufgrund der EEG-Vergütung gesondert behandelt werden - auf fünf gleich große Blöcke verteilt, deren Wirkungsgrade aus der gleichverteilten Wirkungsgradspann- breite (s. o.) ermittelt wurden. Dies stellt einen Kompromiss zwischen vertretbarer Rechenzeit und Abbildungsgenauigkeit dar und erlaubt eine feinere Abstufung der sich ausbildenden Marktpreise. Die Entwicklung zukünftiger Preispfade für Brennstoffe und Emissionszertifikate erfolgt, aufgrund des großen Einflusses auf die Ausbildung von Marktpreisen, auf Basis umfangreicher Literaturrecherchen. Die für das mittel- bzw. langfristige Szenario verwendeten Preise stellen im Vergleich mit den Progno- sen anderer Studien insgesamt eine durchschnittliche prognostizierte Ausprägung dar und können Ta- belle 11 entnommen werden. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit sowohl der Einfluss der Brenn- stoffpreise als auch der Einfluss der Zertifikatspreise getrennt innerhalb einer durchgeführten Sensiti- vitätsanalyse quantifiziert, um etwaige Veränderungen zukünftiger Rahmenbedingungen zu erfassen. Tabelle 11: Brennstoff und Zertifikatspreise innerhalb der Basisszenarien Brennstoffpreis in €/GJ CO2-Preis in €/t Technologie 2014 2025 2035 2014 2025 2035 Kernkraft 1,11 1,11 1,11 5,91 21 31 Braunkohle 1,15 0,42 0,42 Steinkohle 2,49 2,85 2,88 Gas 8,09 8,86 9,36 Öl 10,54 14,89 16,44 Sonstige Brennstoffe 1,86 1,86 1,86 Biomasse 5,56 7,58 7,58 Zudem werden Annahmen über die Dimensionierung von Speichern getroffen. So wird davon ausge- gangen, dass die Kapazität von Pumpspeicherkraftwerken immer dem Zehnfachen der installierten Pumpleistung entspricht. Dies stellt eine vereinfachende Annahme dar, da die genaue Ermittlung aller installierten Kapazitäten aufgrund der bereits beschriebenen Probleme sehr aufwändig, wenn nicht Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 65/190 gar aufgrund der schlechten Datenlage in anderen Ländern unmöglich wäre. Weiterhin werden Wet- terdaten zur Berechnung der zukünftigen Einspeisung durch Windenergie- und Photovoltaikanlagen integriert [40], deren Eignung für die Modellierung bereits in entsprechenden Studien geprüft wurde [41] [42]. Alle weiteren im Rahmen der Modellierung getroffenen Annahmen sind, unter Angabe der verwendeten Literaturquellen, ausführlich in der dem Modell beiliegenden Dokumentation unter [43] beschrieben. 6.4 Modellvalidierung Die Validierung des Modells erfolgt durch eine Parametrierung auf Basis historischer Daten und dem anschließenden Vergleich der Modellergebnisse mit dem tatsächlichen Einsatz bzw. den historischen Marktpreisen. Da der Fokus auf dem sich in Deutschland einstellenden Einsatz bzw. den resultierenden Day-Ahead-Preisen in der gemeinsamen Marktregion Deutschland-Österreich-Luxemburg liegt, wer- den an dieser Stelle nur die darauf bezogenen Ergebnisse analysiert. Kraftwerkseinsatz Die grundlegende Funktionsweise des Modells wurde durch die Visualisierung des Anlageneinsatzes zur Deckung der anliegenden Netzlast analysiert. Dafür wurden die einzelnen Kraftwerksblöcke in der gemeinsamen Marktregion nach Energieträgern aggregiert und zur Deckung der anliegenden Nach- frage gestapelt. Die daraus resultierende Gesamtleistung kann somit als Elektrizitätsnachfrage im je- weiligen Zeitpunkt abzüglich der Einspeicherleistung von Pumpspeicherkraftwerken interpretiert wer- den. Abbildung 16 zeigt den Kraftwerkseinsatz in der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU im Januar 2014. Es wird deutlich, dass der Einsatz thermischer Kraftwerke nach den jeweiligen Grenzkosten erfolgt, d. h. die einzelnen Technologien zu jedem Zeitpunkt sukzessive nach ihren jeweiligen Grenzkosten ein- gesetzt werden. Da Laufwasserkraftwerke als Must-Run-Kapazitäten modelliert wurden, erfolgt deren Einsatz zusammen mit der aus Windkraft und Photovoltaik generierten Leistung zuerst. Zudem wurden für das Jahr 2014 die Biomassekraftwerke in Deutschland, neben anderen erneuerbaren Energien, in- nerhalb des Must-Run-Sockels modelliert, da die Anlagen bis 2014 hauptsächlich innerhalb der EEG- bzw. KWK-G-Vergütung betrieben wurden. Innerhalb der Zukunftsszenarien werden diese jedoch fle- xibel als Spitzenlastkraftwerke betrieben. Wie bereits zuvor erläutert, wird die gewählte Art der Mo- dellierung erneuerbarer Energien durch entsprechende marginale Grenzkosten bzw. die Vergütung der Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 66/190 Anlagen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz begründet. Der Einsatz thermischer Kraftwerke er- folgt erst im Anschluss, wobei teure Spitzenlastkraftwerke, wie beispielsweise Gaskraftwerke, nur in Situationen mit besonders hoher Netzlast zum Einsatz kommen. Ebenfalls deutlich zu erkennen ist der Einsatz von flexiblen Pumpspeicherkraftwerken in Zeiten hoher Nachfrage sowie der permanente Im- port von Strom aus günstigen Nachbarländern. Hinsichtlich des Kraftwerkseinsatzes zeigt sich also ein plausibles Verhalten des Energiesystemmodells. Weitere Analysen zum Kraftwerkseinsatz, unter anderem auf Basis von Jahresdauerlinien der einzel- nen Kraftwerkstypen, sind Anhang J zu entnehmen. Preisbildung Die Preisbildung innerhalb des Modells wurde anhand geeigneter historischer Daten verifiziert. Hierfür wurden die Preise des EEX Day-Ahead-Spotmarktes herangezogen und mit den Schattenpreisen (duale Variablen) der Lastdeckungsgleichung der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU im linearen Programm verglichen. Für eine Analyse der Abweichungen wurden die geordneten Dauerlinien der Real- und Mo- dellpreise herangezogen. Diese geben Auskunft über die Häufigkeit der jeweiligen Preisausprägungen und die Güte der Korrelation im jeweiligen Segment. Abbildung 17 zeigt einen Vergleich der realen und modellierten geordneten Dauerlinien für das Jahr 2014. Abbildung 16: Modellierter Kraftwerkseinsatz in der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU im Januar 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 67/190 Abbildung 17: Geordnete Jahresdauerlinien der Real- und Modellpreise für das Jahr 2014 Es ist deutlich zu erkennen, dass die fundamentale Modellierung im mittleren Preisbereich zwischen ca. 25 €/MWh und 35 €/MWh, der in mehr als 3.500 Stunden der 8.760 Stunden eines Jahres auftritt, eine gute bis sehr gute Abbildung der Preise erzielt. Lediglich in den oberen bzw. unteren Preisseg- menten wird unter bzw. überschätzt. Außerdem treten im Modell keine negativen Preise auf, die sich in den Realdaten beispielsweise in Mittagsstunden mit hoher solarer Einstrahlung, allerdings in sehr geringem Ausmaß, finden. Weitere Analysen zum Vergleich von Modell- und Realpreisen sind Anhang J zu entnehmen. Dort ist zu erkennen, dass durchaus merkliche Abweichungen zwischen diesen Größen auftreten können. Es zeigt sich, dass die Abweichungen im mittleren Preisbereich gering ausfallen, während die Preise in Zeiten hoher bzw. geringer Residuallast tendenziell unter bzw. überschätzt werden. Da entsprechende „Preis- spreads“ jedoch - durch den durch die Zwischenspeicherung erzielbaren Deckungsbeitrag - für den wirtschaftlichen Betrieb von Speichertechnologien maßgeblich sind, werden diese im Rahmen einer nachgelagerten Sensitivitätsanalyse näher betrachtet. Daher kann auch darauf verzichtet werden, in die Modellierung mit dem Ziel einzugreifen, die Abweichung des Modells von den Realdaten zu verrin- gern. Dies wäre zwar für das Jahr 2014 möglich, würde jedoch für die Berechnung zukünftiger Markt- preise nicht zwangsläufig zu besseren Prognosen führen. Eine Eignung des entwickelten Fundamentalmodells zur Abbildung des zukünftigen Kraftwerkseinsatz- es und daraus resultierender Marktpreise konnte somit nachgewiesen werden. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 68/190 6.5 Resultierende Rahmendaten Historische Marktdaten Nach der in Abschnitt 6.3.1 beschriebenen Datenaufbereitung und -validierung erfolgt eine grobe sta- tistische Analyse der Zeitreihen. So wird auf jährlicher Basis der Median, das untere und obere Quartil, der arithmetische Mittelwert und der Minimal- bzw. Maximalwert berechnet. Bei den Minutenreser- vepreisen wird hierfür auf den berechneten Preismedian zurückgegriffen, da davon ausgegangen wird, dass dieser weniger durch Bieterstrategien bei den Auktionen beeinflusst ist als der jeweilige Mittel- wert. Die Abbildung 18 zeigt die grobe statistische Analyse der Zeitreihen, die gleichzeitig die Eingangs- daten der Modellierung darstellen in Form von Boxplots. Ein Boxplot fasst verschiedene statistische Streuungs- und Lagemaße in einer kompakten Darstellung zusammen. Die Box entspricht dem Bereich, in dem die mittleren 50 % der Daten liegen und wird durch das obere und das untere Quartil begrenzt. Die Länge der Box entspricht dem Interquartilsabstand, welcher ein Maß für die Streuung der Daten darstellt. Der Median wird als durchgehender Strich in der Box eingezeichnet und teilt die Beobachtungswerte in zwei Hälften, in denen jeweils 50 % der Daten liegen. Die Lage des Medians innerhalb der Box gibt zudem einen Eindruck über die Schiefe der den Daten zugrundeliegenden Verteilung. Die der Antennen (Whisker) sind auf Höhe des 1,5-Fachen des Interquartilsabstands angeordnet. Darüber hinaus werden Ausreißer, die außerhalb der Whisker lie- gen, angezeigt. Abbildung 18: Statistische Analyse der Zeitreihen 2012 - 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 69/190 Es wird deutlich, dass die EEX Day-Ahead-Preise eine ähnliche Charakteristik aufweisen. So zeigen die Zeitreihen eine verhältnismäßig starke Streuung in positiver und negativer Richtung, bei insgesamt fal- lender Tendenz des Medians und Mittelwerts. Die Leistungspreise für Minutenreserve weisen eine wesentlich stärkere Streuung in positiver Richtung auf, wobei die Preise für negative MRL im Durch- schnitt höher als für positive MRL ausfallen. Zudem waren sowohl die Preise für positive, als auch für negative Leistungsvorhaltung im Jahr 2013 höher als in den Jahren 2012 und 2014. Verglichen mit den Spotmarktpreisen erweisen sich die Preise für Leistungsvorhaltung als verhältnismäßig gering. Demge- genüber steht die Tatsache, dass deren Zahlung nicht zwangsläufig eine physische Stromlieferung und damit verbundene Betriebskosten voraussetzt. Eine genauere Betrachtung der Arbeitspreise zeigt, dass starke Ausreißer sowohl in positiver Richtung und im Falle negativer MRL im Jahr 2014 auch in negativer Richtung auftreten. Während die Preise für positive MRL mit leicht fallender Tendenz durch- schnittlich im einstelligen Preisbereich lagen, tendieren die Preise für negative MRL im Mittel gegen Null. Dieser Preisunterschied spiegelt auch die in der Regel für die Erbringung positiver MRL anfallen- den Betriebskosten wider. Entwicklung des Versorgungssystems und Erweiterung des Szenariorahmens Für die Entwicklung des Versorgungssystems innerhalb der unter 6.3.2 beschriebenen Szenarien und die unter 0 beschriebene Behandlung von Unsicherheiten können abschließend der berechnete Kraft- werkseinsatz und die sich daraus ergebenden Marktpreise ermittelt werden. Letztere stellen die Ein- gangsdaten des unter 5 beschriebenen Modells für die Betriebsoptimierung dar. Daher werden diese im Folgenden hinsichtlich ihrer statistischen Lageparameter unter Zuhilfenahme von Boxplots analy- siert. Abbildung 19 zeigt einen Boxplot mit den Preisen, die aus einer Veränderung der Rahmenbedingungen hervorgehen. Der entsprechende Kraftwerkseinsatz wurde ebenfalls ermittelt und kann dem Anhang entnommen werden. Bei näherer Betrachtung der Ergebnisse wird deutlich, dass vor allem eine Erhöhung der Nachfrage und der variablen Kosten zu deutlich höheren Preisen und einer Verringerung des Preisspreads und vice versa zu einem gegenteiligen Effekt führt. Eine Variation der installierten Wind- bzw. Photovolta- ikleistung oder der Übertragungskapazität zu norwegischen Wasserkraftwerken wirkt sich ebenfalls auf den Preis aus, während der Spread weniger beeinflusst wird. So führt eine Steigerung bzw. Verrin- gerung des Anteils erneuerbarer Energien in beiden Fällen zu in Summe niedrigen bzw. höheren Strom- preisen. Der Effekt der variierten Übertragungsleistung nach Norwegen fällt durch die, verglichen mit der installierten Kraftwerksleistung, verhältnismäßig niedrige Leistung erwartungsgemäß gering aus. Dennoch zeigt eine Verschiebung des Medians, dass sich in Tendenz niedrigere Preise ausbilden. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 70/190 Abbildung 19: Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen des Energieversorgungssystems auf die Preis- bildung Durch die umfassende Betrachtung der Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen des Energie- versorgungssystems konnten zudem einige der zuvor beschriebenen Abbildungsungenauigkeiten be- rücksichtigt werden. So hat beispielsweise ein Vergleich der wöchentlichen Preise (und damit des wö- chentlichen Spreads) des Basisszenarios NEP-2035 mit dem Szenario „NEP-2035-ee+25“ gezeigt, dass deutlich höhere Schwankungen auftreten. Somit konnte zumindest das Problem von im Rahmen der Modellierung unterschätzter zukünftiger Preisspitzen ausreichend adressiert werden. Die entspre- chende Analyse kann dem Anhang entnommen werden. Zur Einordnung der berechneten zukünftigen Marktpreise wurde ein Studienvergleich herangezogen, in dem die im Jahresmittel prognostizierten Großhandelspreise verschiedener Studien miteinander verglichen wurden [44].Eine entsprechende Abbildung, die kurz-, mittel- und langfristig prognostizier- ten Großhandelspreise für Strom verschiedener Studien zeigt, findet sich im Anhang J. Es wird deutlich, dass sämtliche durch das Modell berechneten Marktpreise innerhalb der Prognosen anderer Studien liegen. Damit sind sie insgesamt als valide einzustufen und eignen sich zur Abbildung möglicher zu- künftiger Entwicklungspfade des Energiesystems. Folglich können sie als Eingangsparameter des Mo- dells zur Betriebsoptimierung verwendet werden und erlauben eine integrierte, investorzentrierte Speicherbewertung innerhalb zukünftiger Energieversorgungssysteme. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 71/190 7 Simulationsbasierte Technologiebewertung Als Ergebnis der multikriteriellen Technologiebewertung in Kapitel 4 werden für die folgenden Simula- tionen grundsätzlich vier Druckluftspeicherkonzepte in Betracht gezogen: − Adiabates DLSK mit thermischem Speicher: A_TES − Diabates DLSK mit thermischem Speicher: D_TES − Diabates DLSK mit Rekuperator: D_Rek − Diabates DLSK mit thermischem Speicher und Dampfteil: D_TES_Dampf Die Attraktivität dieser realisierungsrelevanten Druckluftspeicherkraftwerke wird mithilfe der an- schließenden Methodik (7.1) in den darauffolgenden Unterkapiteln bewertet. 7.1 Methodik Übergeordnet wird die Evaluation des Potentials von Druckluftspeicherkraftwerken in Schleswig-Hol- stein auf Basis betriebswirtschaftlicher Auswertungen vorgenommen. Hierfür werden die klassischen Investitionsrechenmethoden des Kapitalwertes Ko und des internen Zinssatzes i genutzt. Der Kapital- wert K0 berechnet sich nach folgender Formel [45]: &' (' ) # *# +1 -.# #/0 Der interne Zinssatz i ist dahingegen die Verzinsung, bei welcher der Kapitalwert einer Investition zu 0 wird. Mithilfe dieser Investitionsrechenmethoden können die in Kapitel 2 formulierten Forschungsfra- gen 5 – 11 adressiert werden. Die Anwendung dieser Methoden erfordert jedoch zunächst die Simulation der unterschiedlichen technischen DLSK-Konzepte im Energieversorgungssystem. Im ersten Schritt werden daher Kraftwerk- scharakteristiken für spezifische Auslegungsfälle in Anlehnung an die jeweiligen Fragestellungen er- zeugt. Diese werden folgend an das Einsatzmodell übergeben, welches die Einsatzzeitreihen der Ein- und Ausspeicherung im jeweiligen Marktumfeld generiert. Die resultierenden jährlichen Volllaststun- den bzw. Jahresdauerlinien für Kompression und Expansion geben bereits einen ersten Eindruck zum Potential der DLSK. Dazu ist anzumerken, dass die Summe der Volllaststunden theoretisch größer als 8.760 sein kann, da Kompressions- und Expansionsteil simultan betrieben werden können. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 72/190 Zusätzliche Informationen zur Charakterisierung der technologischen Unterschiede der Druckluftspei- cher können über eine technische Bewertung gewonnen werden. Diese orientiert sich an der Natur des spezifischen DLSK als Kombination von Speicher- und Spitzenlastkraftwerk. Die Gewichtung dieser beiden Anteile wird durch die Kraftwerksindikatoren dargestellt. Der Speicheraufwand γ beschreibt den Anteil der eingespeicherten Energie zur ausgespeicherten Energie. Dagegen impliziert der Wär- meaufwand δ den Anteil der externen Wärmezufuhr zur ausgespeicherten Energie. Das Verhältnis die- ser beiden Indikatoren beschreibt demzufolge die Relation der Energiezufuhr aus dem Speicher und der externen Zufeuerung und wird als Speicherkoeffizient ε definiert [9]. 1 2 2 3 _ 2 4 2 _ Schließlich erfolgt die technische Bewertung der Kraftwerkskonzepte durch die Berechnung der Zyk- lenwirkungsgrade als Verhältnis von Output zu Input durchführt. Die Energieeffizienz η bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den energetischen Wert der Ströme. Da dieser Indikator jedoch die unter- schiedliche Qualität der Ströme unberücksichtigt lässt, wird zusätzlich die Exergieeffizienz ζ hinzugezo- gen. 2 2 _ _ Die definierten Wirkungsgrade bewerten das DLSK insgesamt und vernachlässigen dabei die kombi- nierte Natur dieser Kraftwerke. Mit dem Ziel der Bewertung des Speicheranteils ist die Definition eines weiteren Speicherwirkungsgrades notwendig. Der sogenannte Wirkungsgrad nach der energetischen Restwertmethode ηCAES_ref nimmt an, dass die externe Energiezufuhr auch zur Energiebereitstellung in einem Referenzkraftwerk mit einem bestimmten Referenzwirkungsgrad genutzt hätte werden kön- nen. Aus diesem Grund wird die Energieabgabe des Speichers um die potentiell im Referenzkraftwerk erzeugte Energie reduziert [9]. 2 _ ∙ _ 2 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 73/190 Konzeptvergleich Die Bewertung der vier DLSK-Konzepte erfolgt anhand der jeweiligen technischen Kennzahlen, des Be- triebsverhaltens, der Einnahmen und der Betriebswirtschaftlichkeit für die Jahre 2012 bis 2014. Das attraktivste DLSK-Konzepte wird entsprechend dem letztgenannten Kriterium ausgewählt. Im Zuge dessen ist sicherzustellen, dass eine direkte Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Varianten gewähr- leistet ist. Dies wird durch eine analoge technische Auslegung erfüllt (siehe Anhang F). Die Ein- und Ausspeichernennleistungen werden auf je 100 MW sowie der Ausspeicherzeitraum auf 8 h festgelegt. Zusätzlich wird eine Anpassung einzelner Parameter an das spezifische Konzept vorge- nommen, um den Einsatzwecken der verschiedenen Konzepten Rechnung zu tragen. In diesem Zusam- menhang wird das Druckspiel des A_TES beispielsweise mit 25 bis 50 bar festgelegt. Im Zuge der be- triebswirtschaftlichen Bewertung wird von einem Betriebszeitraum von 30 Jahren ausgegangen, für die jeweils auf Basis der Bewertungsjahre äquivalente Gewinne angenommen werden. Kraftwerksdimensionierung Mit dem Ziel der Bewertung des betriebswirtschaftlichen Potentials von DLSK in Schleswig-Holstein ist neben der Auswahl des aussichtsreichsten Schaltungskonzeptes der Einfluss der entsprechenden Di- mensionierung des Kraftwerks zu analysieren. Zum diesem Zweck sind folgende Parameter in der Va- riantenprüfung vorgesehen: • Leistungsklassen • Leistungsverhältnisse Einspeicherung / Ausspeicherung • Speicherkapazität • Kavernendruck • Zufeuerungstemperatur DLSK können in unterschiedlichsten Leistungsklassen von 1 MW bis hin zu 10.000 MW umgesetzt wer- den [7]. Typischerweise werden allerdings Kraftwerke mit bis zu einigen hundert MW betrieben bzw. erforscht. Daher wird der Einfluss der Leistungsklasse des DLSK in diesem Bereich geprüft. Zudem sind aufgrund der technischen Konstruktion gleiche Einspeicher- und Ausspeicherleistungen nicht erforder- lich, sodass hier unterschiedliche Leistungsverhältnisse zu beleuchten sind. Ein weiterhin wichtiger Pa- rameter in der Variationsrechnung ist die Speicherkapazität, die direkten Einfluss auf das Kavernenvo- lumen nimmt. Wie in den bisherigen Arbeiten wird die Speicherkapazität in Relation zum Ausspeicher- zeitraum angegeben. Dabei sind nach [7] Zeiträume von 1 – 100 Stunden denkbar, wobei der prakti- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 74/190 sche Fokus bei 2 – 24 h liegt. Zudem beeinflusst auch das Druckspiel in Form des minimalen und maxi- malen Druckes in der Kaverne dessen Volumen. In Abhängigkeit der geologischen Gegebenheiten und der technischen Konstruktion sind Drücke zwischen 20 und 200 bar ( [46] [47]) realisierbar. Schließlich wird die Wirkung der Zufeuerungstemperatur während der Expansion untersucht. Somit wird insbe- sondere für das Konzept D_TES das Gewicht von Speicher- und Spitzenlastanteil variiert. Die Dimensionierung wird zunächst für das Jahr 2014 überprüft. Die Bezeichnungen der einzelnen Di- mensionierungen orientieren sich folgend an der Einspeicherleistung, der Ausspeicherleistung sowie des Ausspeicherzeitraumes. Beispielhaft bezeichnet D_Rek 100/100/8 ein diabates DLSK-Konzept mit Rekuperator mit einer Einspeicherleistung von 100 MW, einer Ausspeicherleistung von 100 MW sowie einen Ausspeicherzeitraum in Nennlast von 8 Stunden. Bedeutung der Märkte Wie bereits zuvor skizziert können DLSK an verschiedenen Märkten agieren. Als technisch realisierbar wird in diesem Projekt der Einsatz am Spot- und tertiären Regelleistungsmarkt gesehen. Daher ist zu klären, welche wirtschaftliche Bedeutung den jeweiligen Märkten zukommt, um einen optimalen Ein- satz zu generieren. Entwicklung des Energiesystems Der hohe Investitions- und Realisierungsaufwand für DLSK sind grundsätzlich durch einen langen Be- triebszeitraum zu rechtfertigen. Typischerweise werden Nutzungsdauern von über 30 Jahren vorgese- hen. Aus diesem Grund ist speziell zu prüfen, inwiefern sich zukünftige Entwicklungen im Energiesys- tem auf den wirtschaftlichen Betrieb auswirken. Die im vorherigen Kapitel dargestellten Szenarien bil- den diesbezüglich mögliche zukünftige Tendenzen beispielhaft für die Jahre 2025 und 2035 ab. Beide Szenarien sind durch einen hohen Anteil erneuerbarer Energien sowie eine veränderte Netzstruktur mit einer Austauschkapazität nach Norwegen gekennzeichnet. Der durchschnittliche Spotmarktpreis steigt von etwa 32 €/MWh auf 48 €/MWh im Szenario 2025 bzw. 63 €/MWh im Szenario 2035. Der durchschnittliche Spread repräsentiert durch das obere und untere Quartil bleibt im Vergleich zu 2014 annähernd konstant (siehe auch Abbildung 19). Es wird angenommen, dass das Einsatzpotential am Regelleistungsmarkt zukünftig nicht mehr gegeben ist. Um die Robustheit dieser Aussage für die zukünftige Entwicklung zu prüfen und außerdem wichtige Einflussfaktoren herauszustellen, werden weitere Szenarien für das Jahr 2035 in die Simulationen ein- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 75/190 bezogen. In diesen werden insbesondere die mit hohen Unsicherheiten behafteten Größen des Ener- gieversorgungssystems im Vergleich zu den Basisannahmen des Jahres 2035 verändert und geprüft (siehe Kapitel 6.5). Systemischer Nutzen Neben der betriebswirtschaftlichen Bewertung eines DLSK geben die Simulationsergebnisse bereits einen ersten Hinweis auf die Systemdienlichkeit derartiger Kraftwerke. Speziell in Schleswig-Holstein ist die weitere Integration der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie, von hoher Be- deutung. Speicher unterstützen dies indem sie bei einer Überschussproduktion möglicherweise Ab- schaltarbeit verhindern. Eine Analyse der Ein- und Ausspeicherzeiträume im Vergleich mit den jeweils abgerufenen Kraftwerkskapazitäten zeigt, ob DLSK in diesem Zusammenhang fördernd im Energiesys- tem agieren können. 7.2 Konzeptvergleich Technische Kennzahlen Tabelle 12 zeigt die Kraftwerksindikatoren und Wirkungsgrade für die vier ausgewählten Konzepte. Durch einen Wärmeaufwand von null und einen Speicherkoeffizienten, welcher gegen unendlich strebt, wird deutlich, dass A_TES eine reine Speichertechnologie bezeichnet. Einen vergleichsweise hohen Speicheranteil weist auch das D_TES auf. Gewichtige Spitzenlastanteile repräsentieren dagegen die beiden übrigen diabaten Konzepte D_Rek und D_TES_Dampf. Somit ist innerhalb der vorliegenden Konzeptauswahl eine technologische Breite gegeben, die sich durch signifikante Unterschiede in der Gewichtung von Speicher- und Spitzenlastanteil ergeben. Tabelle 12: Kraftwerksindikatoren und Wirkungsgrade für ausgewählte Konzepte D_Rek A_TES D_TES D_TES_Dampf Speicheraufwand 0,578 1,385 1,306 0,639 Wärmeaufwand 1,098 0,000 0,184 1,037 Speicherkoeffizient 0,527 ∞ 7,098 0,616 Energetischer Wirkungs- grad 0,60 0,72 0,67 0,60 Exergetischer Wirkungs- grad 0,59 0,72 0,67 0,59 Restwertansatz (ηref = 0,4) 0,97 0,72 0,71 0,92 Restwertansatz (ηref = 0,6) 0,59 0,72 0,68 0,59 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 76/190 Ein Vergleich der Wirkungsgrade verdeutlicht, dass das A_TES nach energetischen und exergetischen Maßstäben die höchste Effizienz mit 72 % erreicht. Das D_TES folgt mit 67 %. Ein differenzierteres Bild ergibt sich bei Betrachtung der Referenzwirkungsgrade, welche eine alternative Brennstoffnutzung in einem Referenzkraftwerk miteinbeziehen. Eine hohe Sensitivität weist diesbezüglich das D_Rek auf- grund des vergleichsweise hohen spezifischen Brennstoffeinsatzes auf. Zusammengefasst offenbart jedoch das A_TES die besten technischen Voraussetzungen resp. Effizienz. Betriebsverhalten Die Simulation der vier DLSK-Konzepte resultiert in betriebswirtschaftlich optimierten Einsatzzeitrei- hen für die Jahre 2012 bis 2014. Die daraus kalkulierbaren Volllaststunden sind für die jeweiligen Kon- zepte und Jahre in Abbildung 20 dargestellt. Hier wird außerdem weiterhin differenziert nach den Voll- laststunden der Kompression und Expansion am Spot- und Regelleistungsmarkt. Somit können mithilfe dieser Abbildung Aussagen zur Entwicklung des Kraftwerkseinsatzes über den betrachteten Zeitraum, zum direkten Konzeptvergleich und zum differenzierten Einsatz an verschiedenen Märkten getroffen werden. Insgesamt wird deutlich, dass die Anzahl der Volllaststunden für alle Konzepte zwischen 2012 und 2014 bedeutend sinkt. Offenbar nimmt das sich verändernde Marktumfeld während dieser kurzen Zeit- spanne von drei Jahren bereits einen starken Einfluss auf den Kraftwerkseinsatz. Abbildung 20: Volllaststunden der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 2012 2013 2014 2012 2013 2014 2012 2013 2014 2012 2013 2014 D_Rek A_TES D_TES D_TES_Dampf V o lll as ts tu n d en Expansion Spot Kompression Spot Expansion TR Kompression TR Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 77/190 Ein Vergleich der Kraftwerkseinsätze zwischen den einzelnen Konzepten zeigt zudem, dass die meisten Volllaststunden von den Konzepten A_TES und D_TES erreicht werden. Diese Konzepte, die einen ho- hen Speicheranteil ausdrücken, weisen ähnliche Mengen und Zusammensetzungen der Volllaststun- den auf. So erreichen A_TES und D_TES im Jahr 2012 etwa 4.000 bzw. 3.600 Volllaststunden, wohin- gegen die Konzepte mit einem hohen Brennstoffbedarf bei 2.700 – 2.900 Stunden liegen. Deutliche Rückgange der Volllaststunden können für das Jahr 2013 nur für die Konzepte mit hoher Spitzenlast verzeichnet werden. Dies wird bedingt durch den gesunkenen Spotmarktpreis bei etwa konstanten Ausgaben für Brennstoffe und Emissionszertifikate. Die negative Marktpreisentwicklung führt im Jahr 2014 jedoch für alle Konzepte zu einer drastischen Abnahme von etwa 800 bis 900 Volllaststunden. Nichtsdestotrotz weist A_TES nun mehr als doppelt so viele Volllaststunden wie D_Rek auf. Zusätzlich zeigt sich, dass die vier Konzepte in den jeweiligen Jahren trotz der technologischen Unter- schiede nahezu identisch in Bezug auf die Volllaststunden am Regelleistungsmarkt agieren. Dies indi- ziert, dass die Kraftwerke ihren Betrieb an den Chancen des Regelleistungsmarktes ausrichten. Um den technologischen Restriktionen gerecht zu werden, wird unterstützend am Spotmarkt agiert, wobei die Speicherkonzepte auch weitere Chancen an diesem nutzen. Im Anhang H befinden sich ergänzend die Jahresdauerlinien für die vier simulierten DLSK-Konzepte im Jahr 2014. Deren Analyse gibt einen Anhaltspunkt über das grundsätzliche Betriebsverhalten. Hier wird deutlich, dass die marktbedingte Teillast, d.h. die Leistungsreduktion in Folge der Marktanpassung, eine untergeordnete Rolle spielt. Somit ist die Rangfolge, die sich aus den Volllaststunden ergibt, auch auf die gesamten Betriebsstunden übertragbar. Dabei sind die Werte lediglich geringfügig höher. Vor- greifend ist dieser Zusammenhang insbesondere für die technische Konstruktion der Kraftwerke rele- vant. Die Jahresdauerlinien zeigen, dass eine Teillastfähigkeit des Kompressionsteils von maximal 20 % und des Expansionsteils von ca. 50 % für den wirtschaftlichen Betrieb optimal sind. Die Speicherzyklen (siehe Anhang H) erstrecken sich im Jahr 2014 von einem Tag bis hin zu vier Wo- chen. Dabei ist anzumerken, dass der Betrieb stark schwankt. Einspeicher- und Ausspeichervorgänge wechseln sich häufig ab und führen meistens nicht zur vollständigen Befüllung bzw. Leerung der Ka- verne. Es besteht außerdem ein Unterschied zwischen den Konzepten mit hohem Speicheranteil und denjenigen mit hohem Spitzenlastanteil. Die ersteren zeigen einen deutlich volatileren Betrieb und damit auch vergleichsweise kürzere Speicherzyklen. Zudem treten kürzere Speicherzyklen von einigen Tagen deutlich häufiger im Winterhalbjahr auf, in welchem die Strompreise durchschnittlich höher und volatiler sind. Im Sommerhalbjahr präsentieren insbesondere die Konzepte mit hohem Spitzenlastan- teil einen geringeren Betrieb und deutlich längere Speicherzyklen von mehr als einer Woche. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 78/190 Einnahmen In eindeutigem Zusammenhang mit den Volllaststunden stehen die erwirtschafteten Einnahmen für die historischen Jahre 2012 – 2014. Die durchschnittlichen Spotmarkt- bzw. Minutenreservepreise sind ergänzend für betrachteten Zeitraum in Abbildung 18 dargestellt. Hier zeigt sich ebenso die abneh- mende Tendenz (Abbildung 21). Interessanterweise liegen die Einnahmen für die Jahre 2012 und 2013 für alle Konzepte trotz der deutlich divergierenden Volllaststunden auf etwa gleichem Niveau. In 2012 erzielt D_TES_Dampf mit 19,6 Mio. € die höchsten Einnahmen. Die niedrigsten Einnahmen mit 18,4 Mio. werden durch A_TES erreicht. Unter Berücksichtigung der Struktur der Volllaststunden, die konzeptübergreifend bezüglich des Regelleistungsmarktes gleichverteilt sind, deutet dies darauf hin, dass der Betrieb an diesem entscheidend für die Einnahmensituation der DLSK-Konzepte ist. Im Jahr 2013 sind die trotz des gesunkenen Spotmarktpreises etwa konstanten Einnahmen auf den gestiegenen Leistungspreis zurückzuführen. Für 2014 bedingen dagegen insgesamt sinkende Preise am Spot- und Regelleistungsmarkt wesentlich geringere Einkünfte. Zu diesem Zeitpunkt kann das A_TES mit 12 Mio. € die höchsten Einnahmen erzielen. Betriebswirtschaftlichkeit Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb sind zudem die Investitions- und Betriebskosten. Eine Übersicht der angenommenen Beträge sowie deren Diskussion kann im Anhang eingesehen werden. Abbildung 22 zeigt diesen entsprechend die internen Zinssätze als Maß des betriebswirtschaftlichen Potentials der Kraftwerke. Auch bezüglich der Wirtschaftlichkeit wird nach einem stabilen Niveau in 0 5 10 15 20 25 D_Rek A_TES D_TES D_TES_Dampf Ei n n ah m en in M io . € 2012 2013 2014 Abbildung 21: Einnahmen der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 79/190 den Jahren 2012 und 2013 ein deutlicher Abfall in 2014 ersichtlich, der sich sogar in einer Halbierung der Werte ausdrückt. Daher ist anzumerken, dass die Kraftwerke sehr sensibel gegenüber Preis- schwankungen generell und insbesondere dieser am Regelleistungsmarkt reagieren. Im Gegensatz zur Einnahmensituation ist hier anhand des internen Zinssatzes eine eindeutige Konzept- rangfolge auszumachen. Während des gesamten Zeitraumes biete das D_Rek die höchsten internen Zinssätze mit etwa 13 % in 2012 und 7 % in 2014. Trotz des Brennstoffeinsatzes und den damit verbun- denen vergleichsweise höheren Betriebskosten führt somit ein Konzept mit signifikantem Spit- zenlastanteil. Ausschlaggebend sind hier die relativ niedrigen Investitionskosten aufgrund der markt- reifen und technologisch weniger aufwendigeren Komponenten. Schlussfolgernd stellt sich D_Rek als das wirtschaftlich attraktivste DLSK-Konzept für einen Betreiber heraus. Dabei ist anzumerken, dass sich dieses Kraftwerk bezüglich der technischen Effizienz lediglich auf Platz 3 befindet. Die Marktsituation 2012 – 2014 führt demnach zu einer Diskrepanz zwischen der Bewertung von Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Auf Rang zwei der Investitionsbewertung folgt mit einem internen Zinssatz von 6 % D_TES, ein DLSK- Konzept mit hohem Speicheranteil. In diesem Falle jedoch sind auch die Wirkungsgrade vergleichs- weise positiv. Zudem birgt das Konzept gravierende Freiheiten bezüglich der Dimensionierung, die den Speicher- und Spitzenlastanteil betreffen. Somit bietet eine Variationsrechnung der D_TES-Dimensio- nierung eine interessante Grundlage für die weitere Analyse des Einflusses der Gewichtung der Kraft- werksanteile. Daher wird D_TES als Konzept mit der hier etwas geringeren betriebswirtschaftlichen Attraktivität für weitere Untersuchungen herangezogen. 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% D_Rek A_TES D_TES D_TES_Dampf In te rn er Z in ss at z 2012 2013 2014 Abbildung 22: Interner Zinssatz der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 80/190 7.3 Kraftwerksdimensionierung D_Rek Ein Auszug aus den Ergebnissen der Investitionsbewertung auf Basis der Simulation verschiedener Di- mensionierungen des Konzeptes D_Rek ist in Tabelle 13 ersichtlich. Es werden zunächst die Ein- und Ausspeicherleistungen sowie Ausspeicherzeiträume variiert, wobei Zufeuerungstemperaturen und Druckspiel zunächst aus Anhang F übernommen werden. Insgesamt erweist sich der interne Zinssatz für alle betrachteten Varianten als positiv. Ein Vergleich der Varianten 10/10/8, 100/100/8 und 400/400/8 zeigt, dass mittlere Leistungsklassen von etwa 100 MW eine geringfügig höhere Wirtschaftlichkeit erreichen. Der Unterschied erweist sich jedoch als wenig signifikant. Des Weiteren zeigt die Gegenüberstellung der Varianten 100/100/8, 50/100/8 und 200/100/8, dass Verhältnisse von Verdichter- zu Turbinenleistung von größer eins zu einem deutlichen wirtschaftlichen Vorteil führen. Die Simulation der Variationen mit unterschiedlichen Speicherkapazi- täten von 1 h, 8 h und 24 h ergibt außerdem, dass sich das Optimum im mittleren Kapazitätsbereich befindet. Tabelle 13: Wirtschaftlicher Ergebnisse für D_Rek mit Variation der Leistungsklassen, des Leistungsverhält- nisses und der Speicherkapazität im Jahr 2014 Einspeicher- leistung in MW Ausspeicher- leistung in MW Speicher- kapazität in h Investitions- kosten in T€ Einnahmen in T€ Ausgaben in T€ Gewinn in T€ Interner Zinssatz 10 10 8 7.754 1.032 503 528 7,34% 50 100 8 58.786 7.537 4.046 3.491 6,14% 100 100 1 71.990 7.934 3.565 4.368 6,32% 100 100 8 77.536 10.322 5.035 5.287 7,35% 100 100 24 90.172 11.499 6.000 5.499 6,36% 200 100 8 115.027 14.994 6.720 8.274 7,84% 400 400 8 310.145 41.203 20.076 21.127 7,34% Auf Basis der analysierten Zusammenhänge in Tabelle 13 wurden weitere Varianten ausgewählt, be- rechnet und überprüft (siehe Anhang H). Aus dieser strukturierten Variantenanalyse können zwei ver- gleichsweise vorteilhafte Dimensionierungen mit einem internen Zinssatz von 7,96 % ausgemacht wer- den. Diese in Tabelle 14 aufgeführten Dimensionierungen unterscheiden sich deutlich in ihren Leis- tungsklassen und können daher für verschiedene Anwendungsfälle genutzt werden. Auch die Spei- cherkapazitäten zeigen mit 9 h für das kleinere DLSK und 13 h für das leistungsstärkere Konzept Un- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 81/190 terschiede auf. Nichtsdestotrotz können sie dem Segment der mittleren Speicherkapazitäten zugeord- net werden. Dagegen zeigen beide Dimensionierungen, dass ein Leistungsverhältnis von Einspeiche- rung zu Ausspeicherung von ca. 2 vorzusehen ist. Tabelle 14: Wirtschaftlich optimale Dimensionierungen hinsichtlich Leistungsklasse, Leistungsverhältnis und Speicherkapazität von D_Rek im Jahr 2014 Einspeicher- leistung in MW Ausspeicher- leistung in MW Speicher- kapazität in h Investitions- kosten in T€ Einnahmen in T€ Ausgaben in T€ Gewinn in T€ Interner Zinssatz 10 5 9 5.751 761 342 419 7,96% 100 40 13 55.099 7.219 3.204 4.015 7,96% Zusätzlich zu den bisher analysierten Parametern der Leistungsklassen, dem Leistungsverhältnis und der Speicherkapazität zeigt Tabelle 15 die wirtschaftlichen Ergebnisse bei der Variation der Zufeue- rungstemperatur und des Druckspiels für ein D_Rek Konzept mit jeweils 100 MW Ein- und Ausspei- cherleistung sowie 8 h Speicherkapazität. Für das Jahr 2014 wird deutlich, dass eine Reduktion der Zufeuerungstemperatur zu einer Verschlechterung des internen Zinssatzes führt. Aus diesem Grund wird festgehalten, dass das wirtschaftliche Optimum für das Jahr 2014 die komponententechnisch ma- ximal mögliche Zufeuerungstemperatur bedarf. Diese ist in den zuvor erläuterten Varianten implemen- tiert. Tabelle 15: Wirtschaftliche Ergebnisse für D_Rek (100/100/8) mit Variation der Zufeuerungstemperatur und dem Druckspiel im Jahr 2014 Variante Investitions- kosten in T€ Einnahmen in T€ Ausgaben in T€ Gewinn in T€ Interner Zinssatz Zufeuerungstemperatur – 200 K 77.437 10.274 4.841 5.433 7,61% Zufeuerungstemperatur - 400 K 77.380 9.828 4.410 5.418 7,59% Druckspiel 42 – 82 bar 75.376 9.772 4.733 5.040 7,17% Druckspiel 25 -50 bar 79.461 9.491 4.687 4.804 6,29% Druckspiel 80 – 120 bar 75.132 10.832 5.100 5.733 8,40% Außerdem zeigt sich, dass eine Erhöhung des maximalen Kavernendruckes auf 82 bar bei konstantem Minimaldruck von 42 bar die Wirtschaftlichkeit erhöht. Eine nochmalige Erhöhung der Wirtschaftlich- keit wird erreicht, wenn die Differenz zwischen Minimal- und Maximaldruck zwar gleich gehalten, das Niveau jedoch auf 80 bis 120 bar gehoben wird. Im Gegensatz dazu sinkt der interne Zinssatz bei einer geringeren Differenz auf niedrigem Niveau von 25 bis 50 bar. Der beschriebene Zusammenhang kann eindeutig auf das nötige Kavernenvolumen sowie dessen Kosten zurückgeführt werden. Je größer die Differenz zwischen Minimal- und Maximaldruck sowie je höher das absolute Niveau dieser Größen ist, desto höher gestaltet sich die Speicherdichte. Folglich verringert sich das benötigte Kavernenvolumen Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 82/190 bei konstant gehaltener Speicherkapazität. Da die Investitionskosten als Kosten pro m³ angenommen wurden und aufgrund von hohen verbundenen Unsicherheiten keine Anpassung an das Druckniveau erfolgt, bedeuten grundsätzlich höhere Speicherdichten einen positiven Einfluss auf die Wirtschaftlich- keit. Für die Praxis ist dieser Punkt projektspezifisch zu prüfen. Alles in allem können für das Jahr 2014 mit Berücksichtigung der tertiären Regelleistung zwei optimale Dimensionierungen mit einer internen Verzinsung von ca. 8 % gefunden werden. Sie repräsentieren zwei verschiedene Leistungsklassen und unterscheiden sich dadurch im Anwendungsgebiet. Gemein- sam sind ihnen jedoch die deutlich höheren Einspeicherleistungen im Verhältnis zur Ausspeicherleis- tung (Verhältnis ca. 2:1) sowie die Speicherkapazitäten im mittleren Bereich von 8 h bzw. 13 h. D_TES Das DLSK-Konzept D_TES, welches im Rahmen der ersten simulationsbasierten Konzeptanalyse zusätz- lich zur weiteren Bearbeitung ausgewählt wurde, zeigt für die Jahre 2012 bis 2014 eine etwas geringe betriebswirtschaftliche Eignung als das Konzept D_Rek. Die Bewertung verschiedener Parametrierun- gen dieses Konzeptes weisen jedoch zum Teil auf größere wirtschaftliche Potentiale hin. In Tabelle 16 sind exemplarisch D_TES-Dimensionierungen aufgeführt, die sich hinsichtlich Leistungs- klassen, Leistungsverhältnissen und Speicherkapazitäten unterscheiden. Bezüglich der Leistungsklas- sen sind nahezu keine Differenzen des internen Zinssatzes zu erkennen (10/10/8, 100/100/8, 400/400/8). Jedoch zeigt sich ebenso wie bei D_Rek, dass Verhältnisse von Einspeicher- zu Ausspei- cherleistung von größer eins deutlich wirtschaftliche Vorteile bringen. Im Kontrast zur optimalen Di- mensionierung von D_Rek erweisen sich dabei geringe Speicherkapazitäten von 1 h als positiv. Tabelle 16: Wirtschaftlicher Ergebnisse für D_TES mit Variation der Leistungsklassen, des Leistungsverhältnis- ses und der Speicherkapazität im Jahr 2014 Einspeicher- leistung in MW Ausspeicher- leistung in MW Speicher- kapazität in h Investitions- kosten in T€ Einnahmen in T€ Ausgaben in T€ Gewinn in T€ Interner Zinssatz 10 10 8 10.569 1.175 529 646 6,14% 50 100 8 89.210 8.240 4.108 4.132 4,17% 100 100 1 72.845 8.512 2.669 5.843 8,89% 100 100 8 108.356 11.805 5.374 6.431 6,13% 100 100 24 189.309 13.214 7.222 5.992 1,54% 200 100 8 147.482 17.202 6.575 10.626 7,85% 400 400 8 432.729 47.201 21.471 25.730 6,15% Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 83/190 In diesem Bereich übertrifft die Dimensionierung D_TES 100/100/1 mit einem internen Zinssatz von 8,9 % die Wirtschaftlichkeit des zuvor als aussichtsreichstes Konzept identifizierte D_Rek. Folglich er- fordert der Vergleich verschiedener DLSK-Konzepte wie in AP-2.2 auch das Einbeziehen verschiedener Parametrierungen zur Festlegung einer wirtschaftlichen Rangfolge. Je nach Anwendungsfall kann die Wahl des wirtschaftlich attraktivsten Konzepts abweichen. Im Rahmen der Projektarbeiten wurden deswegen zusätzlich abweichende Parametrierungen für die Konzepte A_TES und D_TES_Dampf über- prüft. Jegliche Dimensionierungen führen dabei zu einem wirtschaftlichen Nachteil im Vergleich zu D_Rek und D_TES, womit die vorherige Konzeptauswahl bestätigt wird. Die Besonderheit des D_TES ist die Möglichkeit durch verschiedene Parametrierungen den Speicher- und Spitzenlastanteil zu variieren und somit den Einfluss dessen zu analysieren. Als Ansatzpunkt dient die Dimensionierung des TES, welcher den benötigten Brennstoff in der Zufeuerung substituiert. Bis- herige Dimensionierungen beziehen sich grundsätzlich auf die in Tabelle 12 dargestellte Gewichtung mit einem hohen Speicheranteil. Für weitere Simulationen wird Zwischenkühlungstemperatur wäh- rend der Kompression von 527 °C auf 227 °C reduziert und die TES-Kapazität somit auf ein Drittel mi- nimiert. Damit steigen der Bedarf der Zufeuerung und somit der Spitzenlastanteil signifikant an (Spei- cheraufwand: 0,99; Wärmeaufwand: 0,76; Speicherkoeffizient: 1,31). Die Abbildung 23 stellt die Varianten mit einer Ein- und Ausspeicherleistung von 100 MW und verschie- denen Speicherkapazitäten für die beiden geschilderten TES-Dimensionierungen gegenüber. Es wird deutlich, dass sich je nach Kavernendimensionierung (Bezug Ausspeicherzeitraum) die optimale TES- 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 100/100/1 100/100/8 100/100/24 In te rn er Z in ss at z Basis TESmin Abbildung 23: Einfluss der Gewichtung von Speicher- und Spitzenlastanteil auf die Wirtschaftlichkeit in 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 84/190 Dimensionierung unterscheidet. Bei geringen Speicherkapazitäten der Kaverne agiert die Dimensionie- rung mit größerem TES vorteilhafter am Markt. Das heißt für die kurzfristige Speicherung sind hohe Speicheranteile zu bedenken. Bei mittleren bis hohen Kapazitäten erscheint es sinnvoll die Größe des TES in Relation dazu geringer zu gestalten und somit den Spitzenlastanteil zu erhöhen. Zusammenfassend ergeben sich für D_TES optimale Dimensionierungen nahezu unabhängig von der Leistungsklasse mit einem Leistungsverhältnis von 2 sowie einem geringen Ausspeicherzeitraum von 1 h. In diesen Fällen erreicht der interne Zinssatz das Maximum mit 9,4 %, womit die Verzinsung des optimal dimensionierten D_Rek um 1,4 % überschritten wird. Die Wahl des Konzeptes ist also dem Anwendungsfall anzupassen. Dies gilt genauso für die Dimensionierung des thermischen Speichers für das Konzept D_TES. 7.4 Bedeutung der Märkte In Abschnitt 7.2 konnte bereits festgestellt werden, dass die simulierten vier DLSK-Konzepte bezüglich ihrer Volllaststunden trotz gravierender technologischer Differenzierungen nahezu identisch am posi- tiven wie auch negativen Regelleistungsmarkt agieren. Deutliche Unterschied werden jedoch beim Kraftwerkseinsatz am Spotmarkt beobachtet (siehe Abbildung 20). Dieses Verhalten signalisiert, dass die im Optimierungsmodell simulierten DLSK ihren Betrieb primär am Regelleistungsmarkt ausrichten. In der Konsequenz wird dem Regelleistungsmarkt ein höheres wirtschaftliches Potential als dem Spot- markt zugeschrieben. Der Betrieb am Spotmarkt unterstützt den optimierten Einsatz am Regelleis- tungsmarkt, wobei zusätzliche Ertragspotentiale genutzt werden. Weiterhin wird die Bedeutung des Regelleistungsmarktes auch an der Entwicklung der Einnahmen während der Jahre 2012 bis 2014 deutlich. Aus Abbildung 21 kann eine insgesamt sinkende Tendenz der Einnahmen während dieses Zeitraumes abgeleitet werden. Dabei zeigt sich ein geringfügiger Rück- gang der Einnahmen zwischen 2012 und 2013 bei jedoch stärker abnehmenden Volllaststunden. Dieser vergleichsweise überproportionale Rückgang der Volllaststunden zusammen mit den gesunkenen Spotmarktpreisen werden jedoch durch die gestiegenen Arbeitspreise am Regelleistungsmarkt kom- pensiert, sodass die Einnahmen insgesamt fast konstant bleiben. Im Jahr 2014 sinken dann neben den Spotmarktpreisen auch die Arbeitspreise des tertiären Regelleistungsmarktes. Dies führt zu einem starken Einnahmeneinbruch für die DLSK-Konzepte. Insgesamt zeichnet sich also auch hier ab, dass dem Regelleistungsmarkt eine hohe wirtschaftliche Bedeutung zukommt. Weitaus eindeutiger wird die Relevanz des tertiären Regelleistungsmarktes im direkten Vergleich der Kraftwerkssimulationen mit Anbindung an beide Märkte bzw. nur an den Spotmarkt. Abbildung 24 zeigt die resultierenden Einnahmen sowie die Kapitalwerte im Jahr 2014 vergleichend für ein D_Rek Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 85/190 100/100/8. Ohne Einsatz am tertiären Regelleistungsmarkt nimmt das DLSK lediglich ein Drittel der realisierbaren Einnahmen an beiden Märkten ein. Dies wirkt sich bezüglich der Wirtschaftlichkeit dras- tisch aus: Der Kapitalwert, der in diesem Beispiel eine betriebswirtschaftliche Machbarkeit unter Be- rücksichtigung beider Märkte zeigt, fällt in den deutlich negativen Bereich bei ausschließlichem Handel am Spotmarkt. Dieser Sachverhalt ist auch bei jeglichen geprüften DLSK-Konzepte bzw. Dimensionie- rungen erkennbar Folglich wird festgehalten, dass die wirtschaftliche Darstellbarkeit eines DLSK unter historischen Preisen nur durch den Regelleistungsmarkt gegeben ist. Für die zukünftige Entwicklung wird erwartet, dass der Regelleistungsmarkt keine Einsatzpotentiale für DLSK bietet. Für diesen Fall bedarf es einer anderweitigen monetären Honorierung des systemischen und netzdienlichen Nutzens, falls die Integration von DLSK im Energiesystem angestrebt wird. 7.5 Entwicklung des Energiesystems Szenarien für 2025 und 2035 Abbildung 25 zeigt beispielhaft die Simulationsergebnisse eines D_Rek 100/100/8 nochmals für das Jahr 2014 mit und ohne Berücksichtigung des Regelleistungsmarktes sowie für die Szenarien 2025 und 2035. Die deutliche Divergenz der Wirtschaftlichkeit im Jahr 2014 bei Einsatz an einem bzw. an zwei Märkten wurde bereits im vorherigen Abschnitt dargelegt. Ohne Handlungsspielraum am tertiären Re- gelleistungsmarkt fällt der Kapitalwert in einen deutlich negativen Bereich von etwa - 95 Mio. €. Für die angenommene zukünftige Entwicklung verringert sich der Kapitalwert erneut. In beiden Szenario- jahren werden Werte von etwa – 102 Mio. € gleichermaßen erreicht. Die skizzierte Entwicklung ist ebenso für andere Dimensionierungen als auch für das Konzept D_TES feststellbar (siehe Anhang H). - 2 4 6 8 10 12 mit TR ohne TR Ei n n ah m en in M io . € -120 -80 -40 0 40 mit TR ohne TR K ap it al w er t in M io . € Abbildung 24: Vergleich der Einnahmen und des Kapitalwerts mit und ohne Einsatz am tertiären Regelleis- tungsmarkt (TR) für D_Rek 100/100/h im Jahr 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 86/190 Hieraus kann gefolgert werden, dass die veränderte Netzstruktur sowie der gestiegene Anteil erneu- erbarer Energien im Energiesystem für die dargestellten Szenarien keine erhöhten wirtschaftlichen Po- tentiale für DLSK bedingen. Die u.a. daraus resultierenden durchschnittlich steigenden Spotmarkt- preise beeinflussen die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerkes in der Tendenz negativ. Im Vergleich wird weiterhin deutlich, dass die Anbindung an den Regelleistungsmarkt einen weitaus größeren Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit nimmt als die grundsätzlich veränderte Struktur des Energieversorgungssys- tems. Zusammenfassend kann zwar historisch eine wirtschaftliche Darstellbarkeit eines DLSK unter Berück- sichtigung des Regelleistungsmarktes festgestellt werden, jedoch erweist sich die Perspektive zukünf- tig als problematisch. Dies resultiert insbesondere aus fehlenden Einnahmequellen an der Minutenre- serve, welche die systemischen Dienstleistungen des Kraftwerkes honoriert. Die alleinigen strukturel- len Veränderungen im zukünftigen Energiesystem führen zu keinem Business Case für Kraftwerksbe- treiber. Erweiterter Szenariorahmen Die Abweichungen der Kapitalwerte aus den Simulationen mit veränderten Rahmenbedingungen im Vergleich zum Basisszenario 2035 sind der Abbildung 26 zu entnehmen. Insgesamt wird deutlich, dass die untersuchten Größen das Ergebnis nur geringfügig um knapp 2 % gegenüber dem Basisszenario 2035 (Kapitalwert – 102 Mio. €) verändern. Somit verhält sich die Wirtschaftlichkeit des simulierten DLSK relativ robust gegenüber veränderten Rahmenbedingungen im Energiesystem. Zudem wird kein Umstand nachgewiesen, in welchem das Kraftwerk rentabel betrieben werden kann. -120 -100 -80 -60 -40 -20 - 20 40 2014 mit TR 2014 ohne TR nep-2025 nep-2035 K ap it al w er t in M io . € Abbildung 25: Vergleich der Kapitalwerte 2014 mit den Szenarien 2025 und 2035 für D_Rek 100/100/8 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 87/190 Wie erwartet jedoch verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks bei sinkenden Brennstoff- kosten und Emissionskosten. Nichtsdestotrotz bleiben Gewinne und Kapitalwert deutlich negativ. Ei- nen positiven Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit präsentieren weiterhin das Szenario mit einem um 25 % gesteigerten Anteil erneuerbarer Energien als auch das Szenario mit einer um 25 % gesenkten Marktnachfrage. Mit Bezug auf die unterstellten Spotmarktpreise der jeweiligen Jahre zeigt sich, dass die positiv beeinflussenden Szenarien tendenziell einen niedrigeren durchschnittlichen Spotmarktpreis sowie einen größeren Spread aufweisen. Die Veränderung der Import- und Exportkapazitäten nach Norwegen hat dagegen einen vernachlässigbar geringen negativen Einfluss auf den Kapitalwert. Neben den Unsicherheiten, die aus den Rahmenbedingungen des Energiesystems resultieren, beste- hen aufgrund geringer Erfahrungswerte zusätzlich Risiken in den angenommenen Investitions- und Be- triebskosten. Auf Basis verschiedener Literaturquellen werden jeweils minimale und maximale Gren- zen erarbeitet und analysiert (siehe Anhang F). In der Abbildung 27 ist zu erkennen, dass die Investiti- onskosten einen hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit nehmen. Dennoch kann eine Verbesserung des Kapitalwertes von ca. 40 % durch geringere Investitionskosten die Wirtschaftlichkeit nicht in einen positiven Bereich wenden. Die Betriebskosten beeinflussen das Ergebnis im Vergleich dazu im gerin- gerem Maß, wobei ein höherer Einfluss als bei den systemischen Rahmenbedingungen vorliegt. Es kann somit abschließend festgehalten werden, dass die systemischen Rahmenbedingungen lediglich einen geringen Einfluss auf die Betriebswirtschaftlichkeit eines DLSK nehmen. Hervorzuheben ist der -1.5% -1.0% -0.5% 0.0% 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% fu e l- 2 5 fu e l+ 2 5 ee -2 5 ee +2 5 d e m an d -2 5 d e m an d + 2 5 co 2 -2 5 co 2 + 2 5 n o rd lin k- 2 5 n o rd lin k+ 2 5 Abbildung 26: Abweichungen des Kapitalwertes zum Szenario 2035 durch veränderte Rahmenbedingungen im Energieversorgungssystem für D_Rek 100/100/8 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 88/190 Einfluss der Investitionskosten, welche daher für die Praxis einer eindringlichen Prüfung unterliegen sollten. Ohne eine Honorierung des systemischen Nutzens in Form des Einsatzes am Regelleistungs- marktes oder einer Speicherförderung ist insgesamt die Perspektive von DLSK als betriebswirtschaft- lich problematisch zu bewerten. 7.6 Systemischer Nutzen Neben der betriebswirtschaftlichen Bewertung eines DLSK geben die Simulationsergebnisse bereits einen ersten Hinweis auf die Systemdienlichkeit derartiger Kraftwerke. Speziell in Schleswig-Holstein ist die weitere Integration der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie, von hoher Be- deutung. Speicher unterstützen dies indem sie bei einer Überschussproduktion möglicherweise Ab- schaltarbeit verhindern. Eine Analyse der Ein- und Ausspeicherzeiträume im Vergleich mit den jeweils abgerufenen Kraftwerkskapazitäten zeigt, dass DLSK in diesem Zusammenhang fördernd im Energie- system agieren können. -60% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% m in . I n ve st m ax . I n ve st m in . B e tr ie b m ax . B et ri eb Abbildung 27: Abweichungen des Kapitalwertes zum Szenario 2035 durch Annahme minimaler/maximaler Investitions- und Betriebskosten für D_Rek 100/100/8 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 89/190 Abbildung 28 präsentiert für D_TES im Jahr 2025 beispielhaft, dass das Kraftwerk tendenziell in Zeiten mit einem hohen Anteil von Wind- und Solarenergie an den abgerufenen Kapazitäten Energie einspei- chert. In diesen Zeiten treten bereits heute häufig Abregelungen durch das Einspeisemanagement sei- tens der Netzbetreiber auf. Im Gegensatz dazu erfolgen Ausspeicherprozesse eher bei niedrigem Anteil erneuerbarer Wind- und Solarleistung. Zur Hervorhebung dieses Zusammenhangs ist in Abbildung 29 nochmals die charakteristische Zusammensetzung der Stromerzeugung während Ein- und Ausspei- cherprozessen dargestellt. Während des Ladevorgangs liegt der Anteil der erneuerbaren Energien bei etwa 84 % im Jahr 2025. Dagegen erfolgt die Strombereitstellung eher in Zeiten mit geringem Angebot der fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen. Im Jahr 2025 liegt der Anteil hier bei etwa 50 % (bei Ladung der Pumpspeicher mit erneuerbaren Energien). Importe 4.87% Steinkohle 2.25% Braunkohle 9.01% Biomasse 10.38% Wasserkraft 21.58%Solar 18.09% Wind 33.81% Einspeicherung Importe 11.90% Gas 4.10% Steinkohle 18.73% Braunkohle 15.25% Biomasse 9.15% Wasserkraft 18.16% Solar 3.18% Pump- speicher 7.45% Wind 12.09% Ausspeicherung Abbildung 29: Durchschnittliche Zusammensetzung der Stromerzeugung im Jahr 2025 während der Ein- und Ausspeicherung Abbildung 28: Einspeicher- und Ausspeicherleistung im Verhältnis zum Anteil von Wind- und Solarenergie an der gesamten abgerufenen Leistung im Jahr 2025 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 90/190 Noch stärker erweist sich dieser Zusammenhang in den Simulationsergebnissen für das Jahr 2035 (Ab- bildung 30 -Abbildung 31) aufgrund der weiterhin gestiegenen installierten Kapazitäten an erneuerba- ren Energien. Die durchschnittliche Zusammensetzung der Stromerzeugung während der Einspeiche- rung verfügt über einen Anteil von 95 % der regenerativen Energien. Während der Ausspeicherung dagegen bleibt dieser wie auch schon im Jahr 2025 bei etwa 50 %. Damit kann ein eindeutiger Zusam- menhang zwischen den Speicherprozessen und dem jeweiligen Strommix nachgewiesen werden. Der Anteil der erneuerbaren Energien im Energiesystem führt zu einem eindeutigen Preissignal, wel- ches wiederum ausschlaggebend für das Verhalten eines DLSK ist. Schlussfolgernd unterstützt der Be- trieb eines Speichers im Energiesystem die Integration erneuerbarer Energien bereits marktgeführt ohne direkte konzeptionelle Anbindung. Zudem ersetzt ein DLSK ansonsten notwendige reine Spitzen- lastkraftwerke in Zeiten geringer Anteile erneuerbarer Energien und reduziert somit die CO2-Emissio- nen des Gesamtsystems. Abbildung 30: Einspeicher- und Ausspeicherleistung im Verhältnis zum Anteil von Wind- und Solarenergie an der gesamten abgerufenen Leistung im Jahr 2035 Abbildung 31: Durchschnittliche Zusammensetzung der Stromerzeugung im Jahr 2035 während der Ein- und Ausspeicherung Importe 1.41% Steinkohle 0.28% Braunkohle 3.57% Biomasse 10.41% Wasserkraft 14.25% Solar 25.97% Wind 44.11% Einspeicherung Importe 11.98% Gas 6.01% Steinkohle 19.71% Braunkohle 12.12% Biomasse 11.90% Wasserkraft 13.48% Solar 4.48% Pumpspeicher 6.81% Wind 13.50% Ausspeicherung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 91/190 8 Diskussion der Ergebnisse 8.1 Schlussfolgerungen Im folgenden Abschnitt werden die Untersuchungsergebnisse zusammengefasst und spezifisch auf die in Abschnitt 2.2 formulierten Leitfragen zur Bewertung der Attraktivität eines Druckluftspeicherkraft- werkes in Schleswig-Holstein bezogen. Somit kann schließlich übergeordnet die Technologieperspek- tive skizziert werden. Leitfrage 1: Welche Standorte in Schleswig-Holstein eignen sich für Druckluftspeicherkraftwerke? Schleswig-Holstein weist generell potentielle Standorte zur Errichtung und Betrieb eines DLSK auf. In Anlehnung an geologische Salzformationen existieren 14 Standorte, die als untersuchungswürdig ein- zustufen sind. Eine qualitative Bewertung dieser Gebiete mittels der Kriterien Salzstruktur, Nutzungs- rechte, Netzanbindung, Stromerzeugungsanlagen, Anbindung an das Gasnetz, Abtransport der Sole und weitere Standortfaktoren führt jedoch zu einer Rangfolge in ihrer Eignung. Dabei wird als wichtiger Faktor die Entfernung zur Nord- und Ostsee, die zur Entsorgung der Sole eine bedeutende Rolle spielt, identifiziert. Das höchste Potential weisen die vier Standorte Belmhusen-Kuden-Süderhastedt, Marne- Heide-Süderstapel, Oldenswort Nord und Osterby auf. Daraus ist ersichtlich, dass Schleswig-Holstein auch bei Prüfung weiterer realisierungsrelevanter Kriterien ein großes Potential für ein DLSK aufweist. Leitfrage 2: Welche Schritte sind zur Erschließung dieser Standorte notwendig? Die wichtigsten planungstechnischen Schritte werden in der Standortgrobplanung identifiziert. Das diesbezüglich gewählte Vorgehen verfolgt einen universell gültigen Ansatz, welcher auf verschiedene spezifische Standorte anwendbar ist. Grundsätzlich sind die Bereiche der bergbaurechtlichen Frage- stellungen und Belange, des Netzanschlussverfahrens und die Verfahrensschritte zur Kavernenherstel- lung notwendigerweise für den Planungs- und Genehmigungsprozess zu bedenken. Zusätzlich sind In- terdependenzen mit der technischen Kraftwerksplanung ersichtlich und weitere baurechtliche As- pekte zu erfassen. Der erarbeitete Fahrplan zur Standortgrobplanung dient dazu, die Eignung der po- tentiellen Standorte nochmals einzugrenzen und eventuell relevante planungs- und genehmigungs- technische Faktoren miteinzubeziehen und somit den Planungsprozess zu vereinfachen. Leitfrage 3: Wie lang sind die zur Erschließung einzuplanenden Zeiträume? Aus einer Einzelbetrachtung der Bereiche bergbaurechtlicher Anträge und Fragestellungen, Netzan- schlussverfahren und Verfahrensschritte bei der Kavernenherstellung ergibt sich ein Fahrplan, der den Planungs- und Genehmigungsprozess in logischer Abfolge zusammenfasst. Die Realisierung eines DLSK Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 92/190 umfasst laut diesem einen theoretischen Zeitraum von 8 Jahren zwischen Vorarbeiten zur Standort- wahl bis hin zum Beginn der Kavernenherstellung und des Kraftwerksbaus, welcher wiederum mit 5 Jahren angenähert wird. Innerhalb des ersteren Abschnittes sind dem Fahrplan die benötigten Zeit- räume für einzelne Prozessschritte, Fristen und Meilensteine zu entnehmen. Leitfrage 4: Welche Druckluftspeicherkraftwerke kommen für eine Realisierung in Betracht? Grundsätzlich können DLSK in verschiedenen technischen Konzepten dargestellt werden. Diese unter- scheiden sich vornehmlich in ihrer Komplexität und ihrer Gewichtung von Speicher- und Spitzenlastan- teil. Nach einer ersten qualitativen, multikriteriellen Bewertung erweisen sich vier Konzepte als beson- ders realisierungsrelevant: 1. Adiabates DLSK mit TES (A_TES) 2. Diabates DLSK mit TES (D_TES) 3. Diabates DLSK mit Rekuperator (D_Rek) 4. Diabates DLSK mit TES und Dampfkreislauf (D_TES_Dampf) Leitfrage 5: Welches technische Konzept hat für den Betreiber derzeit die größte Attraktivität? Im Rahmen der Simulation des Kraftwerksbetriebes im Spot- und tertiären Regelleistungsmarkt für die Jahre 2012 bis 2014 zeigt sich, dass die ausgewählten Konzepte mit einem optimierten Einsatz aus betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten darstellbar sind. Insgesamt werden jährlich signifikant sin- kende Einnahmen für die vier betrachteten Konzepte nachgewiesen, wobei das Niveau konzeptüber- greifend gleich ist. In der Folge sind die Investitionskosten ausschlaggebend für die betriebswirtschaft- liche Vorteilhaftigkeit im Konzeptvergleich. Als besonders aussichtsreich in diesem Zusammenhang werden das D_Rek sowie das D_TES identifiziert. Das Erstere ist gekennzeichnet durch einen hohen Spitzenlastanteil, das Letztere durch eine flexibel gestaltbare Gewichtung von Speicher und Spitzen- last. Das reine Speicherkonzept des adiabaten DLSK setzt sich in der betriebswirtschaftlichen Bewer- tung vor allem aufgrund hoher Investitionskosten nicht durch. Leitfrage 6: Wie groß sollten installierte Leistungen und Speicherkapazitäten von Einzelanlagen sein? Die attraktivsten Konzepte D_Rek und D_TES weisen je nach Dimensionierung unterschiedliche be- triebswirtschaftliche Potentiale auf. Dabei zeigt sich, dass Verhältnisse von Einspeicher- zu Ausspei- cherleistung von etwa 2 im aktuellen Marktumfeld beste Ergebnisse erwirtschaften. Bezüglich des Kon- zeptes D_Rek stellen sich optimale Dimensionierungen im Bereich kleiner (10 MW) und mittlerer Leis- tungsklassen (100 MW) heraus, die verschiedenen Anwendungsbereichen zuzuordnen sind. Darüber hinaus sind mittlere Speicherkapazitäten von 9 – 13 h Ausspeicherdauer (Volllast) vorzusehen. Insge- samt erreicht das D_Rek mit einer optimierten Dimensionierung eine interne Verzinsung von 8 % für Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 93/190 das Jahr 2014. Das Konzept D_TES kann diesen Wert speziell für Speicheranwendungen, in denen eine geringe Speicherkapazität von etwa 1 h unabhängig von der Leistungsklasse, mit 9 % übertreffen. Kon- sequenterweise muss die praktische Auswahl des jeweils aussichtsreicheren der beiden technischen Konzepte am konkreten Anwendungsfall ausgerichtet werden. Leitfrage 7: Führt ein betriebswirtschaftlich orientierter Betrieb zum gewünschten Systemeffekt? Speziell für den Standort Schleswig-Holstein ist die Netzintegration der Elektrizitätserzeugung aus er- neuerbaren Energien von hoher Bedeutung. Speicher können in diesem Sinne systemdienlich agieren, indem sie Strom in Zeiten hoher Produktion aus erneuerbaren Energien dem Netz entziehen und spei- chern bis die Nachfrage das Angebot übersteigt. Dieser fördernde Systemeffekt kann bei dem betriebs- wirtschaftlich optimierten Betrieb eines DLSK qualitativ beobachtet werden. Der durchschnittliche Strommix während eines Einspeicherprozesses weist einen überdurchschnittlich hohen Anteil erneu- erbaren Energien auf, et vice versa. Daraus wird gefolgert, dass durch den Betrieb des Speichers die erneuerbaren Energien z.B. durch vermiedene Abregelungen vermehrt in das Energiesystem integriert werden. Leitfrage 8: Welche Märkte sind für einen wirtschaftlichen Betrieb von Bedeutung? Bereits anhand der DLSK-Simulationen mit Bezug auf die historische Preiszeitreihen 2012 – 2014 kann eine differenzierte Bedeutung des Spot- und tertiären Regelleistungsmarktes erwiesen werden. Kon- zeptübergreifend richten DLSK ihren Betrieb primär am Regelleistungsmarkt und unterstützen diesen durch Einsätze am Spotmarkt. Preisentwicklungen am Regelleistungsmarkt haben daher einen ver- gleichsweise hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Ohne Berücksichtigung dieses Marktes kann für kein DLSK-Konzept bzw. keine Dimensionierung eine betriebswirtschaftliche Darstellbarkeit allein am Spotmarkt nachgewiesen werden. Die fehlende Honorierung des systemdienlichen Effektes des DLSK durch den Spotmarkt wird auch in beispielhaften Zukunftsszenarien deutlich. Die Technologieperspek- tive hängt also zwangsläufig von einem zusätzlichen Markt oder Mechanismus ab, welcher die system- dienliche Wirkung von Speichern belohnt. Leitfrage 9 + 10: Wie verändert sich die Bewertung durch einen steigenden Anteil erneuerbarer Ener- gien? Wie beeinflusst eine sich entwickelnde Netzstruktur den Speichereinsatz? Mit dem Ziel das zukünftige Potential der Technologien im veränderten Energiesystem darzustellen, wird der Betrieb von DLSK in Szenarien untersucht, die die systemischen Veränderungen im Bereich der Erzeuger- und Netzinfrastruktur in Form von Einsatz- und Marktpreiszeitreihen repräsentativ für die Jahre 2025 und 2035 ausdrücken. Dabei wird das Einsatzpotential am tertiären Regelleistungs- markt zukünftig als sehr gering eingestuft, sodass dieser für die Einsatzplanung nicht berücksichtigt Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 94/190 wird. In der Konsequenz wächst die Bedeutung des Spotmarktes für den Einsatz von DLSK. Insgesamt skizzieren die Szenarien ein steigendes durchschnittliches Preisniveau bei einem in der Tendenz eben- falls steigendem Spread am Spotmarkt. Die Simulationen von D_Rek und D_TES ergeben unter Berück- sichtigung dieser Szenarien im Vergleich zu den Jahren 2012 – 2014 deutlich abweichende wirtschaft- liche Ergebnisse. Historisch durchaus darstellbar, erweist sich die Investition in DLSK in der Zukunft als unwirtschaftlich. Insbesondere der Wegfall des tertiären Regelleistungsmarktes führt zu jährlichen be- trieblichen Verlusten für alle geprüften Dimensionierungen. Der erhöhte Anteil erneuerbarer Energien bzw. die veränderte Netzstruktur beeinflussen die Betriebsergebnisse lediglich in einem geringen po- sitiven Maß. Alles in allem ist die zukünftige Technologieperspektive als problematisch zu erachten. Leitfrage 11: Wie robust ist die Bewertung hinsichtlich der Unsicherheiten zukünftiger Szenarien? Die zukünftige Entwicklung des Energiesystems kann lediglich mit hohen Unsicherheiten angenähert werden. Aus diesem Grund ist es von besonderem Interesse, die einflussreichsten Faktoren für die Technologieperspektive eines DLSK zu identifizieren. Die Veränderung der Betriebswirtschaftlichkeit durch unterschiedliche Randbedingungen im Energiesystem sowie abweichende Kostenstrukturen im- plizieren die Robustheit der vorliegenden Bewertung. Die Sensitivitätsanalyse der Randbedingungen im Energiesystem zeigt, dass steigende Spotmarktpreise vor allem durch einen Anstieg der Stromnach- frage und Brennstoffpreise verursacht werden. Sinkende Preise prägen sich hingegen durch einen zu- nehmenden Anteil an erneuerbaren Energien aus. Zudem hat die Anbindung an die norwegischen Was- serkraftwerke einen preismildernden Effekt bestätigt. Grundsätzlich bedingen systemische Randbe- dingungen, die zu einem niedrigen Preisniveau bei hohem Spread führen, eine verbesserte wirtschaft- liche Situation. Dennoch können keine bedeutenden Veränderungen der Einkommenssituation festge- stellt werden. Die Sensitivitätsanalyse unterstreicht daher nochmals die wirtschaftlich problematische Situation für DLSK aufgrund jährlicher Betriebsverluste. Übergeordnet erweist sich die Technologieperspektive aus standorttechnischer Sicht für Schleswig- Holstein als durchaus positiv. Es existieren potentielle Standorte, die mittels identifizierter Planungs- und Genehmigungsschritte erschlossen werden können. Dabei unterstützt der entwickelte Fahrplan zur Standortgrobplanung. Auch aus technischer Sicht ist die Machbarkeit von DLSK geben. Problema- tisch hingegen erweist sich die wirtschaftliche Perspektive. Aktuelle Rahmenbedingungen implizieren zwar einen rentablen Betrieb, zukünftige Entwicklungen können jedoch insbesondere durch fehlende Vergütung der systemdienlichen Wirkung zu einer wirtschaftlich problematischen Situation führen. Vor dem Hintergrund der langfristigen Planungshorizonte zur Errichtung eines DLSK ist die wirtschaft- liche Unsicherheit durch zukünftige Entwicklungen ein hohes Risiko für einen potentiellen Betreiber. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 95/190 Die Untersuchungen zeigen insgesamt, dass die zukünftigen Veränderungen im Energiesystem für DLSK eine große wirtschaftliche Herausforderung darstellen. Unter den angenommenen Bedingungen ist ein rentabler Betrieb nicht möglich. Daher ist eine Anpassung der optimierten Kraftwerksdimensi- onierungen an zukünftige Bedingungen momentan nicht zielführend. Nichtsdestotrotz erscheint der Speicherbetrieb für die Integration erneuerbarer Energien systemisch förderlich. 8.2 Methodische Kritik Grundsätzlich zeigen die ausführlich dargestellten Arbeitsergebnisse, dass die Ziele des Projektes „Druckluftspeicherkraftwerke in Schleswig-Holstein (DLSK-SH)“ umfassend erfüllt wurden. Die Evalu- ierung der Potentiale von DLSK in Schleswig-Holstein erfolgte sowohl bezüglich potentieller Standorte, der technischen Machbarkeit als auch bezüglich des Einsatzes im Energiesystem. Die Standortbewertung basiert auf einer qualitativen Evaluation von relevanten Kriterien. Die im Zuge dessen benötigten Daten sind jedoch zum Teil unzureichend verfügbar und mit Unsicherheiten behaf- tet. Dieser Sachverhalt wird in der Auswertung durch die Anpassung der Kriteriengewichtung berück- sichtigt. Nichtsdestotrotz sind im Rahmen spezifischer Standortbewertungen genauere Analysen zur Bewertung heranzuziehen, die größtenteils mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden sind. Die dargestellte Rangfolge dient somit als Grundlage für eine Einschätzung der generellen Machbarkeit sowie als Entscheidungshilfe für einen Standort in Schleswig-Holstein. Eine ähnliche Gültigkeit besteht für den Fahrplan zur Standortgrobplanung, welcher die wichtigsten Planungsschritte identifiziert und methodisch universell beschreibt. Aufgrund dessen ist zudem eine partielle Übertragbarkeit auf Stand- orte im gesamten Gebiet Deutschlands zu vermuten. Die technische Machbarkeit von DLSK ist durch umfangreiche Literaturrecherchen, durch Anlegung qualitativer Kriterien und durch thermodynamische Prozesssimulationen geprüft. Gemäß der Zielsetzung des Projektes sind praktische Untersuchungen unterblieben. Insgesamt zeigen die bisher operierenden DLSK, dass eine grundsätzliche Machbarkeit gegeben ist. Hinsichtlich komplexerer Kon- zepte, die beispielsweise TES oder Dampfkreisläufe beinhalten, ist jedoch zu prüfen inwieweit markt- reife Komponenten verfügbar, anzupassen und weiterzuentwickeln sind. Das wirtschaftliche Potential der DLSK wird auf Basis von Simulationen im Energiesystem überprüft. Die an das Modell zu übergebende Beschreibung des Betriebsverhalten der einzelnen Technologien erfolgt vereinfacht in linearen Zusammenhängen. Die Überprüfung dieses Vorgehens ergibt jedoch, dass die dadurch entstehenden Abweichungen in der Simulation einen unbedeutenden Einfluss haben. Des Weiteren wird mit diesem Vorgehen verhindert, dass die Gültigkeit nur für spezifische Komponen- tendesigns nachgewiesen wird. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 96/190 Dagegen ist die Modellierung zukünftiger Energieversorgungssysteme grundsätzlich mit hohen Unsi- cherheiten verbunden, da die Komplexität großer, länderübergreifender Systeme stets eine Reduktion der Problemstellung auf die wichtigsten Fundamentalfaktoren erfordert und zukünftige Entwicklungen der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen nicht genau prognostizierbar sind. Somit stellen die in Form von Szenarien angenommenen zukünftigen Entwicklungspfade eine strukturelle Unsicherheit dar und sollten vielmehr als Indiz interpretiert werden, wie sich die jeweilige energiewirtschaftliche Entwick- lung auf den Speicherbetrieb auswirken würde. 8.3 Ausblick Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen die standortbezogenen, technischen und wirt- schaftlichen Potentiale von DLSK auf. Aufgrund der jährlichen Betriebsverluste unter Berücksichtigung der Zukunftsszenarien stellt die betriebswirtschaftliche Machbarkeit für DLSK perspektivisch gesehen eine Herausforderung dar. Aus den Analysen wird deutlich, dass insbesondere die Konzepte mit hohem Speicheranteil finanzielle Probleme bedingen. Es wird vermutet, dass anderweitige Energiespeicher durch die zukünftige Entwicklung vor den gleichen Herausforderungen stehen wie DLSK. Daher steht im Zentrum weiterer Untersuchungen die Frage, inwiefern die positive Wirkung auf die Integration erneuerbarer Energien bzw. die Systemdienlichkeit eines Energiespeichers durch politische Maßnahmen und Anpassung der Randbedingungen gefördert werden sollte. Ist der Betrieb aus Sys- temsicht sinnvoll, ist zu klären, welche Rahmenbedingungen einen wirtschaftlichen Betrieb aus Sicht der Akteure erlauben. Eine Förderung des Einsatzes am Regelleistungsmarktes bzw. auch ein Spei- cherbonus sind Beispiele für derartige Maßnahmen, welche die Integration von Speichern unterstüt- zen können. Weil davon auszugehen ist, dass sich andere Speichertechnologien im gleichen Span- nungsfeld bewegen, ist auch auf die Positionierung von DLSK im Vergleich zu diesen und anderen Fle- xibilitäts- und Besicherungsoptionen zu untersuchen. Insbesondere für den norddeutschen Raum ist es von übergeordnetem Wert die Netzdienlichkeit eines möglichen DLSK zu bewerten. Im Zuge dessen ist die ausführliche Abbildung der Netzinfrastruktur als lineares DC-Modell zu implementieren. Unter dieser Voraussetzung sind zudem Analysen zu alternati- ven zukünftigen Betriebsszenarien, wie beispielsweise der Nutzung als netzentlastender Pufferspei- cher, möglich. Im Falle eines positiven Beitrages sowie der betriebswirtschaftlichen Darstellbarkeit kann in den nächs- ten Schritten der Fahrplan zur Standortplanung in die Praxis umgesetzt werden. Dabei sind spezifische geologische Voraussetzungen für die jeweiligen Standorte sind zu prüfen. Außerdem kann möglicher- weise auch die Übertragbarkeit auf deutschlandweite Bereiche relevant sein. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 97/190 Literaturverzeichnis [1] C. Doetsch, A. Kanngießer, D. Wolf, S. Schinz, M. Sperling, H. Frey und A. Kaptue Kamga, „Netzintegrierte Stromspeicher zur Integration fluktuierender Energie - Technologische Anforderungen, ökonomischer Nutzen, reale Einsatzszenarien,“ Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen, 2011. [2] P. Moser, R. Marquardt, S. Freund, M. Klafki und P. 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Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 106/190 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Aufbau eines Druckluftspeicherkraftwerks ....................................................................... 7 Abbildung 2: Dimensionen der Bewertung im Projekt DLSK-SH ............................................................. 9 Abbildung 3: Modellübersicht zur Einsatzplanung eines DLSK ............................................................. 11 Abbildung 4: Klassifizierung der Druckluftspeicherkonzepte ............................................................... 33 Abbildung 5: Schaltbilder der adiabaten Konzepte............................................................................... 34 Abbildung 6: Schaltbilder der diabaten DLSK ........................................................................................ 35 Abbildung 7: Schaltbilder der hydropneumatischen Konzepte ............................................................ 37 Abbildung 8: Skizzierung des Modells zur Betriebsoptimierung eines Druckluftspeicherkraftwerks .. 46 Abbildung 9: Gesamtstruktur des Modells mit den Einzelkomponenten und Datenflüssen ............... 48 Abbildung 10: Abstraktes Kraftwerksmodell als Grundlage der mathematischen Beschreibung ........ 49 Abbildung 11: Exemplarische Linearisierung einer Kraftwerkscharakteristik....................................... 51 Abbildung 12: Exemplarischer kostenoptimaler Fahrplan als Ergebnis des Betriebsoptimierungsmodells ........................................................................................................................................ 54 Abbildung 13: Modellierte Marktregionen auf Basis von [31] .............................................................. 58 Abbildung 14 Funktionsweise des Modells zur Berechnung von Spotmarktpreisen ............................ 59 Abbildung 15: Exemplarische Ermittlung der Grenzarbeitspreise innerhalb einer Zeitscheibe ........... 61 Abbildung 16: Modellierter Kraftwerkseinsatz in der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU im Januar 2014 ............................................................................................................................... 66 Abbildung 17: Geordnete Jahresdauerlinien der Real- und Modellpreise für das Jahr 2014 ............... 67 Abbildung 18: Statistische Analyse der Zeitreihen 2012 - 2014 ........................................................... 68 Abbildung 19: Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen des Energieversorgungssystems auf die Preisbildung .............................................................................................................. 70 Abbildung 20: Volllaststunden der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 .......................................................... 76 Abbildung 21: Einnahmen der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 ................................................................. 78 Abbildung 22: Interner Zinssatz der DLSK-Konzepte 2012 - 2014 ........................................................ 79 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 107/190 Abbildung 23: Einfluss der Gewichtung von Speicher- und Spitzenlastanteil auf die Wirtschaftlichkeit ........................................................................................................................................ 83 Abbildung 24: Vergleich der Einnahmen und des Kapitalwerts mit und ohne Einsatz am tertiären Regelleistungsmarkt (TR) für D_Rek 100/100/h im Jahr 2014 ....................................... 85 Abbildung 25: Vergleich der Kapitalwerte 2014 mit den Szenarien 2025 und 2035 für D_Rek 100/100/8 ........................................................................................................................................ 86 Abbildung 26: Abweichungen des Kapitalwertes zum Szenario 2035 durch veränderte Rahmenbedingungen im Energieversorgungssystem für D_Rek 100/100/8 ................. 87 Abbildung 27: Abweichungen des Kapitalwertes zum Szenario 2035 durch Annahme minimaler/maximaler Investitions- und Betriebskosten für D_Rek 100/100/8 ............ 88 Abbildung 28: Einspeicher- und Ausspeicherleistung im Verhältnis zum Anteil von Wind- und Solarenergie an der gesamten abgerufenen Leistung im Jahr 2025 ............................. 89 Abbildung 29: Durchschnittliche Zusammensetzung der Stromerzeugung im Jahr 2025 während der Ein- und Ausspeicherung ................................................................................................ 89 Abbildung 30: Einspeicher- und Ausspeicherleistung im Verhältnis zum Anteil von Wind- und Solarenergie an der gesamten abgerufenen Leistung im Jahr 2035 ............................. 90 Abbildung 31: Durchschnittliche Zusammensetzung der Stromerzeugung im Jahr 2035 während der Ein- und Ausspeicherung ................................................................................................ 90 Abbildung 32: Potentialkarte zur Druckluftspeicherung in Schleswig-Holstein ................................. 113 Abbildung 33: Schaltbild Adiabates DLSK mit thermischem Speicher A1a ......................................... 121 Abbildung 34: Schaltbild Adiabates DLSK mit mehreren thermischen Speichern A1b ....................... 122 Abbildung 35: Schaltbild Adiabates DLSK ohne thermischen Speicher A2 ......................................... 122 Abbildung 36: Schaltbild Diabates DLSK mit thermischem Speicher D1a ........................................... 123 Abbildung 37: Schaltbild Diabates DLSK mit thermischem Speicher und Dampfteil D1b .................. 123 Abbildung 38: Schaltbild Diabates DLSK D2a ...................................................................................... 124 Abbildung 39: Schaltbild Diabates DLSK mit Rekuperator D2b ........................................................... 124 Abbildung 40: Schaltbild Diabates DLSK mit Gasturbinenanlage D2c ................................................. 125 Abbildung 41: Schaltbild Diabates DLSK mit Dampfteil D2d ............................................................... 125 Abbildung 42: Schaltbild Diabates DLSK mit Gasturbinenanlage und Dampfteil D2e ........................ 126 Abbildung 43: Schaltbild Hydropneumatisches DLSK isotherm HP1a................................................. 126 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 108/190 Abbildung 44: Schaltbild Hydropneumatisches DLSK adiabat + isochor HP1b ................................... 126 Abbildung 45: Modell des thermischen Speichers .............................................................................. 131 Abbildung 46: Lastfälle eines Druckluftspeicherkraftwerkes .............................................................. 133 Abbildung 47: Kompressionsleistung-Füllstand-Charakteristik für D_TES .......................................... 135 Abbildung 48: Wärmeabfuhr-Kompressionsleistung-Charakteristik für D_TES .................................. 135 Abbildung 49: Einspeicherexergiestrom-Kompressionsleistung-Charakteristik für D_TES ................ 136 Abbildung 50: Expansionsleistung-Füllstand-Charakteristik für D_TES .............................................. 136 Abbildung 51: Wärmezufuhr-Expansionsleistung-Charakteristik für D_TES ...................................... 137 Abbildung 52: Ausspeicherexergiestrom-Expansionsleistung-Charakteristik für D_TES .................... 137 Abbildung 53: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_Rek 2014 .......................................... 140 Abbildung 54: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_Rek 2014 ......................................... 140 Abbildung 55: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für A_TES 2014 ........................................... 141 Abbildung 56: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für A_TES 2014 .......................................... 141 Abbildung 57: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_TES 2014 .......................................... 142 Abbildung 58: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_TES 2014 ......................................... 142 Abbildung 59: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_TES_Dampf 2014 .............................. 143 Abbildung 60: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_TES_Dampf 2014 ............................. 143 Abbildung 61: Exergetischer Kavernenfüllstand für D_Rek im Jahr 2014 ........................................... 144 Abbildung 62: Exergetischer Kavernenfüllstand für A_TES im Jahr 2014 ........................................... 144 Abbildung 63: Exergetischer Kavernenfüllstand für D_TES im Jahr 2014 ........................................... 145 Abbildung 64: Exergetischer Kavernenfüllstand für D_TES_Dampf im Jahr 2014 .............................. 145 Abbildung 65: Konzept des Energiesystemmodellierungsframeworks............................................... 168 Abbildung 66 Modellierung eines einfachen Energiesystems innerhalb des Frameworks ................ 169 Abbildung 67: Politische und ökonomische Entwicklungspfade innerhalb der ENTSO-E Szenarien .. 180 Abbildung 68: Geordnete Jahresdauerlinien einzelner Technologien in der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU für das Modelljahr 2014 .............................................................................. 182 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 109/190 Abbildung 69: Modellierte Stromerzeugung für die gemeinsame Marktregion DE/AT/LU und reale Stromerzeugung der einzelnen Länder im Jahr 2014 .................................................. 183 Abbildung 70: Streudiagramm der Real- und Modellpreise für das Jahr 2014 mit Regressionspolynom dritter Ordnung ............................................................................................................ 185 Abbildung 71: Real- und Modellpreise im März 2014......................................................................... 186 Abbildung 72: Ausschnitt der berücksichtigten mittelfristigen ( 2 0 a) K le in er e D LS K k ö n n e n a u ch in B eh äl te rn r ea lis ie rt w er d e n . H ie r lie gt d er F o ku s au f G ro ß an w en d u n ge n b ) K ei n e K av e rn e b en ö ti gt , a b er e in B eh äl te r m it h o h er D ru ck fe st ig ke it c) G as an sc h lu ss o d er B re n n st o ff vo rr at sb eh äl te r w ir d z u m D u rc h fa h re n s ch w ie ri ge r B et ri eb sz u st än d e b en ö ti gt B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 28 /1 90 A llg . M a ch b a rk e it K o m p o n e n te n ve r- fü gb a rk e it Sy st e m e n tw ic k- lu n gs st a tu s A n la u fz e it a B e tr ie b a ls K ra ft - w e rk b B re n n st o ff - e in sa tz K a p a zi tä ts b e gr e n - zu n g a K o st e n c 2 0 % 2 0 % 2 0 % 5 % 1 0 % 1 0 % 5 % 1 0 % 1 0 0 % A 1 a 6 5 6 3 0 1 0 8 4 5 ,3 5 A 1 b 6 5 5 3 0 1 0 8 4 5 ,1 5 A 2 3 2 2 3 0 1 0 6 6 3 ,4 5 D 1 a 6 5 4 3 0 9 6 5 4 ,8 5 D 1 b 6 5 4 3 0 4 6 6 4 ,4 5 D 2 a 1 0 1 0 1 0 3 1 0 7 6 7 8 ,8 5 D 2 b 1 0 1 0 1 0 3 1 0 3 6 8 8 ,5 5 D 2 c 1 0 1 0 2 3 1 0 1 6 7 6 ,6 5 D 2 d 1 0 7 4 3 1 0 1 6 7 6 ,4 5 D 2 e 1 0 7 0 3 1 0 0 6 7 5 ,5 5 H P 1 a 1 0 1 0 6 6 0 1 0 1 0 0 7 ,0 0 H P 1 b 1 0 1 0 6 6 0 1 0 1 0 0 7 ,0 0 0 := N ic h t m ac h b ar 0 := K o m p o n en te n n ic h t ve rf ü gb ar 0 : = K ei n e ak ti ve F o r- sc h u n g 0 := > 1 5 m 0 := N ic h t m ö gl ic h 0 := > 4 ,5 1 0 := 5 k W - 1 G W 0 := > 1 .0 0 0 3 := 5 m - 1 5 m 1 0 := M ö gl ic h 1 := 4 ,0 - 4 ,5 8 := 1 M W - 1 G W 1 := 9 0 0 - 1 .0 0 0 3 := E in ge sc h rä n kt 5 := K o m p o n en te n m it Fo rs ch u n gs au f- w an d v er fü gb ar 2 : = G ru n d la ge n -f o r- sc h u n g 6 := 3 0 s – 5 s 2 := 3 ,5 - 4 ,0 6 := 5 M W - 1 G W 2 := 8 0 0 - 9 0 0 6 := Th eo re ti sc h ge ge b en 1 0 := < 3 0 s 3 := 3 ,0 - 3 ,5 3 := 7 0 0 - 8 0 0 5 := U m fa ss en d er e Fo rs ch u n g 4 := 2 ,5 - 3 ,0 4 := 6 0 0 - 7 0 0 1 0 := G eg eb e n 1 0 : = K o m p o n en te n ve rf ü gb ar 5 := 2 ,0 - 2 ,5 5 := 5 0 0 - 6 0 0 7 := D em o n st ra ti o n s- an la ge r ea lis ie rt 6 := 1 ,5 - 2 ,0 6 := 4 0 0 - 5 0 0 7 := 1 ,0 - 1 ,5 7 := 3 0 0 - 4 0 0 1 0 := B er ei ts re al i- si er t 8 := 0 ,5 - 1 ,0 8 := 2 0 0 - 3 0 0 9 := 0 - 0 ,5 9 := 1 0 0 - 2 0 0 1 0 := 0 1 0 := < 1 0 0 a) Q u el le : [ 7 ] b ) Q u e lle : [ 4 8 ] c) D ie In ve st it io n sk o st en s in d b ez o ge n a u f d en g e sa m te n e le kt ri sc h en O u tp u t. B et ri e b sk o st en w u rd en v er n ac h lä ss ig t, d a an ge n o m m en w ir d , d as s B re n n st o ff ko st en d en g rö ß te n A n te il ve ru rs a- ch en u n d d er B re n n st o ff m as se n st ro m a ls s ep ar at er F ak to r b er ü ck si ch ti gt is t. K o st en b er ec h n u n g u m fa ss t K ra ft w er ks ko m p o n en te n . K av er n e is t n ic h t m it ei n b ez o ge n , d a d ie G rö ß en d if fe re n ze n im F ak to r En er gi ed ic h te m it e in b e zo ge n w er d en . Q u e lle n : [ 4 9 ] [7 ] [5 0 ] [5 1 ] [5 2 ] B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 29 /1 90 W ir ku n gs gr a d n a ch e n e rg e ti sc h e r R e st w e rt m e th o d e ; η r e f = E xe rg e ti sc h e r W ir ku n gs gr a d 0 ,4 0 ,5 0 ,6 1 0 % 4 0 % 1 0 % 4 0 % 1 0 0 % A 1 a 8 8 8 9 8 ,4 0 A 1 b 9 9 9 1 0 9 ,4 0 A 2 6 6 6 9 7 ,2 0 D 1 a 8 8 7 8 7 ,9 0 D 1 b 1 0 9 6 4 6 ,8 0 D 2 a 4 2 1 3 2 ,5 0 D 2 b 8 3 0 3 3 ,2 0 D 2 c 8 2 0 3 2 ,8 0 D 2 d 9 4 0 4 4 ,1 0 D 2 e 1 0 4 0 0 2 ,6 0 H P 1 a 8 8 8 8 8 ,0 0 H P 1 b 4 4 4 4 4 ,0 0 0 := < 0 ,3 0 := < 0 ,3 0 := < 0 ,3 0 := < 0 ,3 1 := 0 ,3 - 0 ,4 1 := 0 ,3 - 0 ,4 1 := 0 ,3 - 0 ,4 1 := 0 ,3 - 0 ,4 2 := 0 ,4 - 0 ,5 2 := 0 ,4 - 0 ,5 2 := 0 ,4 - 0 ,5 2 := 0 ,4 - 0 ,5 3 := 0 ,5 - 0 ,5 5 3 := 0 ,5 - 0 ,5 5 3 := 0 ,5 - 0 ,5 5 3 := 0 ,5 - 0 ,5 5 4 := 0 ,5 5 - 0 ,6 4 := 0 ,5 5 - 0 ,6 4 := 0 ,5 5 - 0 ,6 4 := 0 ,5 5 - 0 ,6 5 := 0 ,6 - 0 ,6 5 5 := 0 ,6 - 0 ,6 5 5 := 0 ,6 - 0 ,6 5 5 := 0 ,6 - 0 ,6 5 6 := 0 ,6 5 - 0 ,7 6 := 0 ,6 5 - 0 ,7 6 := 0 ,6 5 - 0 ,7 6 := 0 ,6 5 - 0 ,7 7 := 0 ,7 - 0 ,7 5 7 := 0 ,7 - 0 ,7 5 7 := 0 ,7 - 0 ,7 5 7 := 0 ,7 - 0 ,7 5 8 := 0 ,7 5 - 0 ,8 8 := 0 ,7 5 - 0 ,8 8 := 0 ,7 5 - 0 ,8 8 := 0 ,7 5 - 0 ,8 9 := 0 ,8 - 0 ,9 9 := 0 ,8 - 0 ,9 9 := 0 ,8 - 0 ,9 9 := 0 ,8 - 0 ,9 1 0 := > 0 ,9 1 0 := > 0 ,9 1 0 := > 0 ,9 1 0 := > 0 ,9 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 130/190 D. Thermodynamische und kraftwerkstechnische Grundlagen Folgend werden grundlegende Annahmen und angewandte Gesetzmäßigkeiten der technischen Mo- dellierung des Arbeitsmediums und der Kraftwerkskomponenten vorgestellt. • Arbeitsmedium Die technischen Berechnungen basieren auf der Annahme von trockener Luft als Arbeitsmedium. Tro- ckene Luft wird referenziert als ideale Mischung realer Gase. Die thermodynamischen Eigenschaften werden nach den Gleichungen von [53] gewonnen, welche in der hier verwendeten Software FluidEXL der Hochschule Zittau in der Datenbank LibHuAir (Property Software for Humid Air Calculated as Ideal Mixture of Real Fluids) [54] angewandt werden. • Verdichtungsteil Die Einspeicherung wird durch drei Verdichterstufen mit gleichem Druckverhältnis in Nennlast und jeweiliger Zwischenkühlung realisiert. Das Teillastverhalten von Verdichtern wird in der Praxis durch spezifische Verdichterkennfelder (Compressor Maps, kurz CM) beschrieben. Zumeist stellen diese Kennfelder dimensionslose Zusammenhänge zwischen Druckverhältnissen, Durchsatzvolumenströ- men, Drehzahlen und Maschinenwirkungsgraden für einen bestimmten Verdichtertyp dar. Grundsätz- lich besteht also eine eindeutige Abhängigkeit des Prozessverhaltens von der gewählten Komponen- tenauslegung (z.B. axiale Bauweise, radiale Bauweise, Verwendung von variablen Eintrittsleitschau- feln, anderweitige Regelungsmechanismen) und dem frei wählbarem Nennarbeitspunkt. Die Kompo- nentenauslegung sowie der Nennbetriebspunkt werden in der Praxis an die Erfordernisse der füll- stand- und marktbedingten Teillast optimal angepasst und durch Regelungen ergänzt. Eine genaue Auslegung kann aufgrund konstruktionstechnischer Unsicherheiten hier nicht erfolgen und ist nicht Ziel dieser Untersuchung. Ein spezifisch hinterlegtes Verdichterkennfeld birgt somit Be- rechnungsunsicherheiten. Zusätzlich erhöhen hinterlegte Verdichterkennfelder die Komplexität der Berechnungen enorm. Aus diesen Gründen wird davon ausgegangen, dass das füllstandbedingte Teil- lastverhalten der Verdichter mit konstanten Wirkungsgraden und Massenströmen angenähert werden kann. Die Anpassung der Leistung an den Markt erfolgt durch eine perfekte Massenstromvariabilität als Folge einer nicht näher erläuterten technischen Konstruktion. Die Auswirkungen dieser Annahme werden als unwesentlich eingestuft und können im Anhang eingesehen werden. Des Weiteren werden aufgrund der mit der Last variierenden Temperaturverläufe während der Ver- dichtung die Zwischenkühltemperaturen gegebenenfalls angepasst, um temperaturbedingte Betriebs- grenzen einzuhalten und konstante Eingangstemperaturen in den thermischen Speicher zu gewähr- leisten. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 131/190 • Expansionsteil Die Ausspeicherung wird durch zwei Turbinenstufen mit gleichem Druckverhältnis und jeweils vorge- schalteter Wärmezufuhr dargestellt. Die füllstandbedingte Teillast der Expansion ist gekennzeichnet durch variierende Drücke am Turbineneintritt. Das Kegelgesetz nach Stodola [55] schätzt diesbezüglich die Veränderung des Massenstromes in Abhängigkeit des Ein- und Austrittszustandes des Gases ab und wird daher in der technischen Berechnung der Expansion angewandt [56]. Die marktbedingte Teillast kann lediglich durch konstruktive Maßnahmen erfüllt werden. Zu diesem Zweck existieren verschiedene technische Möglichkeiten, von welchen die Mengenregelung mittels Düsengruppe in der vorliegenden Modellierung aufgrund der geringsten Verluste ausgewählt wird. Prinzipiell schwankt der Wirkungsgrad einer Turbine geringfügiger als derjenige eines Verdichters (siehe z.B. [7]). Da im letzteren Fall nachgewiesen wurde, dass Wirkungsgradschwankungen einen un- wesentlichen Einfluss auf das Prozessverhalten ausüben, wird auch der Expansionsteil mit konstantem Wirkungsgrad modelliert. Dies führt zu einer somit konsistenten Vorgehensweise. Die Brennkammer der diabaten DLSK wird bislang als externe Wärmezufuhr abgebildet. Austrittstem- peraturen in Teillastbereichen werden gegebenenfalls angepasst, um technische Betriebsgrenzen ein- zuhalten und in wichtigen Prozesspunkten konstante Temperaturen einzustellen. • Thermischer Speicher Der thermische Speicher (TES) speichert die während der Verdichtung anfallende thermische Energie ein und gibt diese bei der Ausspeicherung wieder an die Luft ab. Auch in diesem Falle wird von einer genauen konstruktiven Auslegung abgesehen, weswegen eine nach Abbildung 45 skizzierte Darstel- lungsform gewählt wird. Es werden jeweils die Temperaturen nach der Verdichtung T1 und nach Ka- vernenaustritt T3 vorgegeben sowie die Grädigkeit zwischen T1 und T4, der Temperatur nach dem TES im Expansionsteil, festgelegt. Die Temperatur T2 wird durch eine Bilanz der spezifischen Wärmeströme im Nennbetrieb definiert. Folglich ergeben sich geringfügige Änderungen der spezifischen Ein- und Abbildung 45: Modell des thermischen Speichers Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 132/190 Ausspeicherwärmeströme nur aufgrund von füllstandbedingten Druckänderungen. Zusätzlich wird vor Kaverneneintritt die verdichtete Luft nochmals gekühlt, um Instabilitäten des thermischen Speicher- prozesses zu verhindern. • Druckluftspeicher Der Druckluftspeicher ist ein Massenspeicher, der in diesem Projekt als Salzkaverne vorgesehen ist. Eine perfekte Dichtheit verhindert dabei Druckverluste. Des Weiteren tritt das Arbeitsmedium mit der Temperatur der geologischen Formation ein, wodurch die Kavernentemperatur als homogen ange- nommen wird [7]. Aus Stabilitätsgründen müssen bestimmte Druck- und Temperaturgrenzen einge- halten werden. • Weitere Komponenten Weitere Komponenten kennzeichnen die unterschiedlichen DLSK-Konzepte. Ein Rekuperator wird als Gegenstrom-Wärmeübertrager mit konstanter Übertragungsfähigkeit beschrieben. Die zur Nutzung des heißen Gasturbinenabgases angeschlossene Dampfkraftanlage ist als einfacher Kreislauf mit Fest- druckregelung umgesetzt. Lastfälle Die bisherigen technischen Berechnungen, die im Rahmen des AP 2.1 durchgeführt wurden, zeigen das thermodynamische Prozessverhalten der DLSK-Konzepte im Nennbetriebspunkt bei maximalem Ka- vernendruck. Praktisch ist diese Betrachtungsweise unzureichend sobald detailliertere Aussagen über ein Kraftwerksverhalten getroffen werden sollen. Die Basiskomponenten eines Druckluftspeicherkraftwerkes weisen eine hohe prinzipielle Nähe zu de- nen einer Gasturbinenanlage auf, jedoch unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer konstruktiven Kopp- lung. Räumlich getrennte Kompressions- und Expansionsteile können zeitlich unabhängig voneinander betrieben werden, wodurch sich abweichende und für die Energiespeicherung charakteristische Last- fälle ergeben. Diese Lastfälle sind gesondert für Kompression und Expansion zu analysieren. Neben dem Nennbetrieb bei festem, maximalem Kavernendruck sind Ladungs- bzw. Entladungsvor- gänge zu unterscheiden. Während der Ladung des Druckluftspeichers arbeitet der Verdichterstrang gegen mit dem Füllstand steigende Enddrücke (Kavernendrücke), wohingegen die Entladung des Spei- chers sinkende Eingangsdrücke für den Expansionsteil bedeutet. Diese Lastfälle werden im Folgenden als füllstandabhängige Teillast behandelt und spiegeln die im jeweiligen Betriebspunkt maximal reali- sierbare Leistung wider. Des Weiteren ergeben sich aus Sicht des Versorgungssystems optimale Be- triebspunkte, die unterhalb der maximal realisierbaren Leistung liegen. Um diese Marktchancen zu Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 133/190 nutzen, wird mittels konstruktiver Maßnahmen eine schwankende, marktabhängige Teillast für jeden Betriebspunkt realisiert. Abbildung 46 verdeutlicht die beschriebenen Lastfälle graphisch. Abbildung 46: Lastfälle eines Druckluftspeicherkraftwerkes Das Teillastbetriebsverhalten kann konstruktiv durch eine Drosselung in Kompression sowie Expansion an das Nennlastverhalten angeglichen werden. Aufgrund der dabei entstehenden hohen Drosselver- luste wird dieses Prinzip hier nicht verfolgt. Weitere Lastfälle werden in der vorliegenden Untersu- chung nicht berücksichtigt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 134/190 E. Beispielhafte Darstellung der Kraftwerkscharakteristiken Die Kraftwerkscharakteristiken werden für DLSK mit einer Einspeichernennleistung von 100 MW, einer Ausspeichernennleistung von 100 MW und einem Ausspeicherzeitraum von 8 Stunden. Die Dimensio- nierung des TES lehnt sich an die Kavernenkapazität an. Der Kavernendruck variiert zwischen 42 bar und 72 bar. Die Abbildung 47 -Abbildung 52 zeigen die Charakteristiken für ein D_TES. Orange Punkte und Linien stellen füllstandbedingte Lastabhängigkeiten dar, wohingegen blaue Markierungen auf die marktbe- dingte Teillast hinweisen. Es wird deutlich (Abbildung 47), dass die maximale Verdichterleistung in ei- ner linearen Abhängigkeit vom Kavernenfüllstand genügend genau beschrieben werden kann. Je nach Marktnachfrage und Komponentendesign sind vertikale Abweichungen zu geringeren Leistungen mög- lich. Die Wärme, die während und nach der Verdichtung zur Einhaltung der Temperaturgrenzen abgeführt werden muss, wird im konstanten Verhältnis an die Umgebung (0,48) und den TES (0,52) abgegeben. Wie in Abbildung 48 ersichtlich, ist die Wärmeabfuhr linear von der Kompressionsleistung abhängig. Die Besonderheit hierbei ist jedoch, dass die marktbedingten Teillasten als Funktion eindeutig zu tren- nen sind und dem jeweiligen Füllstand zugeordnet werden müssen. Im verwendeten DLSK-Modell ist dieser Zusammenhang nicht explizit abgebildet. Dies führt in den folgenden Berechnungen zu Über- schätzungen des Wärmestromes, der bei der Kompression abgeführt werden muss. Folge dieses Vor- gehens ist eine unklare Aussagefähigkeit über die benötigte Kapazität des TES. Die TES-Kapazität wird daher auf Basis von Volllastberechnungen definiert. In Abhängigkeit der Kompressionsleistung wird ein Exergiestrom in die Kaverne eingeführt. Anhand der Abbildung 49 wird deutlich, dass das Teillastver- halten in einer linearen Funktion mit Schnittpunkt im Ursprung angenähert werden kann. Ähnliche Zusammenhänge gelten für den Ausspeicherungsvorgang und können in den Abbildung 50 - Abbildung 52eingesehen werden. Daher werden diese nachfolgend nicht genauer erläutert. Die Wär- mezufuhr während der Expansion wird zu 82,5 % durch den TES und zu 17,5% durch Brennstoff ge- deckt. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 135/190 Abbildung 47: Kompressionsleistung-Füllstand-Charakteristik für D_TES Abbildung 48: Wärmeabfuhr-Kompressionsleistung-Charakteristik für D_TES y = 0.0363534432x + 87.8542516832 R² = 0.9997791137 0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 250 300 350 K o m p re ss io n sl e is tu n g in M W Füllstand in MWh y = 1,2093x y = 1.3719x y = 0.11186x + 109.68643 R² = 0.99247 50 60 70 80 90 100 110 120 130 50 60 70 80 90 100 110 W ä rm e a b fu h r in M W Kompressionsleistung in MW 72 bar 70 bar 65 bar 60 bar 55 bar 50 bar 45 bar 42 bar Max. Leistung Linear (72 bar) Linear (42 bar) Linear (Max. Leistung) Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 136/190 Abbildung 49: Einspeicherexergiestrom-Kompressionsleistung-Charakteristik für D_TES Abbildung 50: Expansionsleistung-Füllstand-Charakteristik für D_TES y = 0.45152x R² = 0.99835 25 30 35 40 45 50 50 60 70 80 90 100 110 Ei n sp e ic h e re xe rg ie st ro m in M W Kompressionsleistung in MW 72 bar 70 bar 65 bar 60 bar 55 bar 50 bar 45 bar 42 bar Max. Leistung Linear (Max. Leistung) y = 0.1308733659x + 53.9086976822 R² = 0.9999984312 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 Ex p a n si o n sl e is tu n g in M W Füllstand in MWh Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 137/190 Abbildung 51: Wärmezufuhr-Expansionsleistung-Charakteristik für D_TES Abbildung 52: Ausspeicherexergiestrom-Expansionsleistung-Charakteristik für D_TES y = 0.93235x + 8.94104 R² = 0.99998 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 W ä rm e zu fu h r in M W Expansionsleistung in MW 72 bar 70 bar 65 bar 60 bar 55 bar 50 bar 45 bar 42 bar Max. Leistung Linear (Max. Leistung) y = 0.63944x - 3.52768 R² = 0.99995 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 A u ss p e ic h e re xe rg ie st ro m in M W Expansionsleistung in MW 72 bar 70 bar 65 bar 60 bar 55 bar 50 bar 45 bar 42 bar Max. Leistung Linear (Max. Leistung) Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 138/190 F. Technische und wirtschaftliche Parametrierung der Kraftwerkskonzepte Tabelle 22: Technische Parametrierung der vier ausgewählten DLSK-Konzepte Parameter Einheit Wert Allgemeines Umgebungsdruck bar 1,0135 Umgebungstemperatur K 288,15 Kompression Nennleistung MW 100 Isentroper Wirkungsgrad % 85 Maximaltemperatur K 800 Expansion Nennleistung MW 100 Isentroper Wirkungsgrad Regelstufe % 70 Isentroper Wirkungsgrad HD- & ND-Stufen % 92,5 Maximaltemperatur HD-Stufe K 873,15 Maximaltemperatur ND-Stufe K 1473,15 Druckverhältnis Regelstufe 0,8 Speicher Druckspiel bar diabat: 42 – 72; adiabat: 25 – 50 Ausspeicherdauer ohne marktbedingte Leistungsreduktion h 8 Druckverlust vernachlässigt TES Kapazität angelehnt an Kavernenkapazität TES Grädigkeit K 20 Dampfkreislauf Maximale Dampftemperatur K 900 Dampfdruck Nennlast bar 80 Kesseldruckverlust % 16,7 Wirkungsgrad Dampfturbine % 85 Wirkungsgrad Speisewasserpumpe % 75 Kondensatordruck bar 0,1 Andere Komponenten Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen % 98 Druckverlust Kühlung, Brennkammer, Wärmetauscher % 3 Investitions- und Betriebskosten Die Investitions- und Betriebskosten, die als Grundlage für die ersten beispielhaften Simulationen der vier DLSK-Konzepte verwendet werden, sind in Tabelle 23 dargestellt. Die Datenlage erweist sich dabei aus vielerlei Gründen als schwierig. Zum einen bestehen grundlegende Uneinigkeiten der Literatur zur Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 139/190 Zusammensetzung und Angabe der Investitions- und Betriebskosten. Einige Autoren weisen die Kosten jeweils separat nach Komponenten und bezogen auf deren Leistungen aus. Andere stellen lediglich die Kosten für das gesamte DLSK dar, wobei nicht eindeutig definiert ist, auf welche Leistung sich bezogen wird. Weitere Quellen beziehen sich auf Komponentengruppen. Aus diesem Vorgehen resultieren gra- vierende Unterschiede in der Höhe der Summen für Investition und Betrieb. Zusätzlich erschwert wird die Diskussion durch die Vermutung stark projektspezifischer Kosten und fehlender Erfahrungswerte insbesondere bei modifizierten, aber praxisüblichen Turbinenanlagen. Um dem Untersuchungsziel der Bewertung unterschiedlicher DLSK-Konzepte gerecht zu werden, wird hier eine Kostenstruktur nach der Aufschlüsselung der Tabelle 23 unterstellt. Die Daten ergeben sich aus einer umfassenden Literaturrecherche mit anschließender Analyse und Gruppierung der einzelnen Faktoren [7] [50] [51] [52] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68]. Um die Schwan- kungsbreite abzuschätzen, sind neben den mittleren Kosten untere und obere Grenzen festgelegt. So- mit wird eine erste Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Tabelle 23: Angenommene Kostenstruktur für die DLSK-Komponenten Parameter Einheit Bezug Wert Investitionskosten Min Med Max Verdichter €/kW Verdichterleistung 150 250 350 Turbine €/kW Turbinenleistung 125 200 275 Kaverne €/m³ Kavernenvolumen 40 60 80 Rekuperator €/kW Rekuperatorleistung 20 40 60 TES €/kWh TES-Kapazität 20 35 50 Dampfkreislauf Abhitzekessel €/kW Abhitzekesselleistung 200 400 600 Dampfkreislauf Turbinenanlage €/kW Dampfturbinenleistung 460 530 600 BOP % Investitionskosten s.o. 40 50 60 Betriebskosten Personalkosten %/a Kosten Turbine & Verdichter 0,75 1,00 1,25 Versicherungskosten %/a von Gesamtkosten ohne BOP 0,60 0,85 1,10 Wartung & Instandhaltung fix %/a von Gesamtkosten ohne BOP 0,75 1,00 1,25 Wartung & Instandhaltung var. €/kWh Expansionsarbeit 0,0020 0,0035 0,0050 €/kWh Expansionsarbeit (mit Dampfteil) 0,0015 0,0030 0,0045 Sonstiges Nutzungsdauer a 30 Kalkulationszinssatz % 5 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 140/190 G. Jahresdauerlinien und Speicherzyklen der vier DLSK-Konzepte 2014 Abbildung 53: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_Rek 2014 Abbildung 54: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_Rek 2014 0 20 40 60 80 100 120 K o m p re ss io n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung 0 20 40 60 80 100 120 Ex p an si o n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 141/190 Abbildung 55: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für A_TES 2014 Abbildung 56: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für A_TES 2014 0 20 40 60 80 100 120 K o m p re ss io n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung 0 20 40 60 80 100 120 Ex p an si o n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 142/190 Abbildung 57: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_TES 2014 Abbildung 58: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_TES 2014 0 20 40 60 80 100 120 K o m p re ss io n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung 0 20 40 60 80 100 120 Ex p an si o n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 143/190 Abbildung 59: Jahresdauerlinie der Einspeicherleistung für D_TES_Dampf 2014 Abbildung 60: Jahresdauerlinie der Ausspeicherleistung für D_TES_Dampf 2014 0 20 40 60 80 100 120 K o m p re ss io n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung 0 20 40 60 80 100 120 Ex p an si o n sl ei st u n g in M W Zeitschritte in 0,25 h Max. Leistung Reale Leistung B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 44 /1 90 A b b ild u n g 6 1 : E xe rg e ti sc h e r K a ve rn e n fü lls ta n d f ü r D _ R e k im J a h r 2 0 1 4 A b b ild u n g 6 2 : E xe rg e ti sc h e r K a ve rn e n fü lls ta n d f ü r A _ T E S im J a h r 2 0 1 4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 0 2 6 8 8 5 3 7 6 8 0 6 4 1 0 7 5 2 1 3 4 4 0 1 6 1 2 8 1 8 8 1 6 2 1 5 0 4 2 4 1 9 2 2 6 8 8 0 2 9 5 6 8 3 2 2 5 6 3 4 9 4 4 Exergetischer Füllstand in MWh Ze it in 0 ,2 5 h 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 0 2 6 8 8 5 3 7 6 8 0 6 4 1 0 7 5 2 1 3 4 4 0 1 6 1 2 8 1 8 8 1 6 2 1 5 0 4 2 4 1 9 2 2 6 8 8 0 2 9 5 6 8 3 2 2 5 6 3 4 9 4 4 Exegetischer Füllstand in MWh Ze it in 0 ,2 5 h B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 45 /1 90 A b b ild u n g 6 3 : E xe rg e ti sc h e r K a ve rn e n fü lls ta n d f ü r D _ T E S im J a h r 2 0 1 4 A b b ild u n g 6 4 : E xe rg e ti sc h e r K a ve rn e n fü lls ta n d f ü r D _ T E S_ D a m p f im J a h r 2 0 1 4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 0 2 6 8 8 5 3 7 6 8 0 6 4 1 0 7 5 2 1 3 4 4 0 1 6 1 2 8 1 8 8 1 6 2 1 5 0 4 2 4 1 9 2 2 6 8 8 0 2 9 5 6 8 3 2 2 5 6 3 4 9 4 4 Exergetischer Füllstand in MWh Ze it in 0 ,2 5 h 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 0 2 6 8 8 5 3 7 6 8 0 6 4 1 0 7 5 2 1 3 4 4 0 1 6 1 2 8 1 8 8 1 6 2 1 5 0 4 2 4 1 9 2 2 6 8 8 0 2 9 5 6 8 3 2 2 5 6 3 4 9 4 4 Exergetischer Füllstand in MWh Ze it in 0 ,2 5 h B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 46 /1 90 H . D e ta ill ie rt e S im u la ti o n se rg e b n is se f ü r D _R e k u n d D _T ES 2 0 1 4 , 2 0 2 5 u n d 2 0 3 5 T a b e lle 2 4 : Si m u la ti o n se rg e b n is se f ü r D _ R e k 2 0 1 4 In ve st it io n s- ko st e n in T € V o lll a st st u n d e n in h Ei n n a h m e n in T € A u sg a b e n in T € G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € In te rn e r Zi n ss a tz Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g h Ei n sp ei ch er u n g Zu fe u er u n g O & M 1 /1 /1 7 2 0 3 0 2 5 2 3 7 9 3 1 7 1 5 4 4 1 2 5 6 ,3 1 % 1 /1 0 /8 4 .3 7 9 2 .3 6 8 4 0 8 4 5 8 5 0 1 3 6 9 1 1 8 2 - 8 5 4 3 ,3 8 % 2 /1 0 /8 4 .7 5 4 1 .4 9 0 5 1 4 5 5 4 5 3 1 7 1 1 0 2 2 2 9 - 3 2 8 4 ,4 5 % 5 /1 0 /8 5 .8 7 9 7 7 9 6 7 2 7 5 5 5 2 2 2 4 1 2 9 3 5 0 9 0 4 6 ,1 6 % 7 /1 0 /8 6 .6 2 9 6 1 8 7 4 8 8 6 7 4 9 2 4 9 1 4 5 4 2 4 1 .5 7 9 6 ,7 7 % 1 0 /1 /8 4 .1 5 0 9 9 1 .7 1 6 3 9 1 3 5 7 8 4 2 4 6 6 1 6 6 ,1 3 % 1 0 /2 /8 4 .5 5 1 1 7 7 1 .5 3 2 5 0 7 6 1 0 2 9 6 3 0 3 1 .3 1 6 7 ,1 3 % 1 0 /4 /8 5 .3 5 1 2 8 9 1 .2 5 0 6 8 1 1 5 1 6 7 1 1 7 3 8 3 2 .0 6 9 7 ,8 0 % 1 0 /5 /7 5 .7 1 1 3 2 2 1 .1 1 2 7 3 7 1 9 1 8 5 1 2 5 4 0 7 2 .1 7 5 7 ,7 6 % 1 0 /5 /8 5 .7 5 1 3 3 5 1 .1 5 7 7 5 2 2 0 1 9 3 1 2 6 4 1 3 2 .2 4 5 7 ,8 2 % 1 0 /5 /9 5 .7 5 1 3 4 0 1 .1 7 7 7 6 1 2 0 1 9 6 1 2 7 4 1 9 2 .3 6 4 7 ,9 6 % 1 0 /5 /1 0 5 .8 3 0 3 4 6 1 .1 9 4 7 6 9 2 0 1 9 9 1 2 8 4 2 2 2 .3 4 6 7 ,9 0 % 1 0 /6 /8 6 .1 5 1 3 7 0 1 .0 6 6 8 1 3 2 4 2 1 3 1 3 5 4 4 1 2 .3 8 5 7 ,8 0 % 1 0 /7 /8 6 .5 5 2 3 9 7 9 7 9 8 6 5 2 9 2 2 8 1 4 4 4 6 4 2 .4 3 7 7 ,7 0 % 1 0 /9 /8 7 .3 5 2 4 6 8 8 9 8 9 8 0 3 9 2 6 9 1 6 2 5 0 9 2 .5 0 7 7 ,4 9 % 1 0 /1 1 /8 8 .1 5 3 5 2 7 8 2 7 1 .0 8 1 5 1 3 0 3 1 7 9 5 4 7 2 .4 4 5 7 ,2 0 % 1 0 /1 0 /1 7 .1 9 6 2 9 8 5 1 7 7 8 5 2 7 1 7 2 1 5 2 4 3 4 1 .2 0 3 6 ,2 6 % 1 0 /1 0 /4 7 .4 3 6 4 2 7 7 3 9 9 4 8 3 8 2 4 6 1 6 3 5 0 2 2 .2 8 6 7 ,2 6 % 1 0 /1 0 /8 7 .7 5 4 4 9 9 8 6 1 1 .0 3 2 4 5 2 8 7 1 7 1 5 2 8 2 .4 7 9 7 ,3 4 % B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 47 /1 90 In ve st it io n s- ko st e n in T € V o lll a st st u n d e n in h Ei n n a h m e n in T € A u sg a b e n in T € G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € In te rn e r Zi n ss a tz Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g Ei n sp ei ch er u n g Zu fe u er u n g O & M 1 0 /1 0 /1 2 8 .0 6 9 5 3 7 9 2 6 1 .0 7 4 5 0 3 0 8 1 7 7 5 3 9 2 .3 6 9 7 ,1 6 % 1 0 /1 0 /2 4 9 .0 1 8 6 1 6 1 .0 5 3 1 .1 4 7 5 4 3 5 0 1 9 3 5 5 0 1 .6 3 1 6 ,3 6 % 5 0 /2 5 /1 0 2 9 .1 5 1 3 4 6 1 .1 9 4 3 .8 4 4 9 9 9 9 5 6 3 9 2 .1 1 1 1 1 .7 3 2 7 ,9 0 % 5 0 /1 0 0 /8 5 8 .7 8 6 7 7 8 6 7 2 7 .5 3 7 5 2 3 2 .2 3 8 1 .2 8 5 3 .4 9 1 8 .8 0 8 6 ,1 4 % 1 0 0 /5 0 /4 5 5 .9 3 4 2 7 7 9 6 1 6 .8 0 6 1 7 0 1 .6 0 2 1 .2 0 8 3 .8 2 6 1 8 .1 4 8 7 ,3 7 % 1 0 0 /5 0 /8 5 7 .5 1 8 3 3 1 1 .1 4 4 7 .4 9 3 1 9 6 1 .9 0 5 1 .2 6 0 4 .1 3 3 2 2 .5 1 6 7 ,8 3 % 1 0 0 /5 0 /9 5 7 .9 1 4 3 4 0 1 .1 7 7 7 .6 1 4 1 9 8 1 .9 6 0 1 .2 7 0 4 .1 8 6 2 3 .1 3 8 7 ,8 8 % 1 0 0 /5 0 /1 0 5 8 .3 0 1 3 4 5 1 .1 9 2 7 .6 8 3 1 9 8 1 .9 8 5 1 .2 7 8 4 .2 2 2 2 3 .4 5 7 7 ,9 0 % 1 0 0 /5 0 /1 1 5 8 .6 9 7 3 5 0 1 .2 0 9 7 .7 4 2 2 0 2 2 .0 1 4 1 .2 8 6 4 .2 4 0 2 3 .4 0 5 7 ,8 8 % 1 0 0 /5 0 /1 2 5 9 .0 9 3 3 6 3 1 .2 5 4 7 .8 7 6 2 0 5 2 .0 8 8 1 .2 9 8 4 .2 8 4 2 3 .8 6 4 7 ,9 1 % 1 0 0 /4 0 /1 3 5 5 .0 9 9 3 2 2 1 .3 8 7 7 .2 1 9 1 5 3 1 .8 4 7 1 .2 0 4 4 .0 1 5 2 2 .6 4 3 7 ,9 6 % 1 0 0 /5 0 /1 3 5 9 .4 8 9 3 7 0 1 .2 7 3 7 .9 5 5 2 0 7 2 .1 1 9 1 .3 0 6 4 .3 2 4 2 4 .2 3 3 7 ,9 4 % 1 0 0 /6 0 /1 3 6 3 .8 9 8 4 1 3 1 .1 8 6 8 .6 2 2 2 6 1 2 .3 7 0 1 .4 0 7 4 .5 8 4 2 4 .8 5 4 7 ,8 1 % 1 0 0 /5 0 /1 4 5 9 .8 8 5 3 6 9 1 .2 7 0 7 .9 5 7 2 0 4 2 .1 1 3 1 .3 1 1 4 .3 2 9 2 3 .9 4 3 7 ,8 9 % 1 0 0 /1 0 0 /1 7 1 .9 9 0 3 0 3 5 2 9 7 .9 3 4 2 7 6 1 .7 6 6 1 .5 2 3 4 .3 6 8 1 2 .5 9 3 6 ,3 2 % 1 0 0 /1 0 0 /8 7 7 .5 3 6 4 9 9 8 6 2 1 0 .3 2 2 4 5 6 2 .8 7 1 1 .7 0 8 5 .2 8 7 2 4 .8 3 0 7 ,3 5 % 1 0 0 /1 0 0 /2 4 9 0 .1 7 2 6 1 5 1 .0 6 0 1 1 .4 9 9 5 3 5 3 .5 3 2 1 .9 3 3 5 .4 9 9 1 6 .3 0 0 6 ,3 6 % 2 0 0 /1 0 0 /8 1 1 5 .0 2 7 3 3 1 1 .1 4 4 1 4 .9 9 4 3 9 1 3 .8 1 0 2 .5 1 9 8 .2 7 4 4 5 .1 8 1 7 ,8 4 % 2 0 0 /1 0 0 /9 1 1 5 .8 1 9 3 4 0 1 .1 7 7 1 5 .2 2 6 3 9 6 3 .9 2 1 2 .5 4 0 8 .3 7 0 4 6 .2 4 2 7 ,8 8 % 4 0 0 /2 0 0 /9 2 3 1 .6 0 3 3 4 0 1 .1 7 6 3 0 .4 3 8 7 9 1 7 .8 3 3 5 .0 7 9 1 6 .7 3 5 9 2 .4 3 5 7 ,8 8 % 4 0 0 /4 0 0 /8 3 1 0 .1 4 5 4 9 7 8 5 9 4 1 .2 0 3 1 .8 0 3 1 1 .4 4 5 6 .8 2 8 2 1 .1 2 7 9 8 .9 4 6 7 ,3 4 % B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 48 /1 90 In ve st it io n s- ko st e n in T € V o lll a st st u n d e n in h Ei n n a h m e n in T € A u sg a b e n in T € G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € In te rn e r Zi n ss a tz Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g Ei n sp ei ch er u n g Zu fe u er u n g O & M 8 0 0 /4 0 0 /9 4 6 3 .2 9 5 3 4 1 1 .1 7 8 6 0 .9 2 5 1 .5 8 3 1 5 .6 9 6 1 0 .1 6 3 3 3 .4 8 3 1 8 5 .0 3 5 7 ,8 8 % 8 0 0 /4 0 0 /1 2 4 7 2 .8 3 5 3 6 4 1 .2 5 6 6 3 .0 2 8 1 .6 3 9 1 6 .7 3 1 1 0 .3 9 0 3 4 .2 6 8 1 9 0 .6 8 9 7 ,9 1 % 8 0 0 /4 0 0 /1 4 4 7 9 .1 3 5 3 7 6 1 .2 9 4 6 4 .1 4 5 1 .6 3 1 1 7 .2 2 5 1 0 .5 2 1 3 4 .7 6 8 1 9 4 .0 8 0 7 ,9 2 % V ar ia n te n m it D R ek 1 0 0 /1 0 0 /8 D ru ck sp ie l 2 5 -5 0 b b ar 7 9 .4 6 1 4 5 1 7 8 0 9 .4 9 1 3 8 7 2 .5 9 7 1 .7 0 3 4 .8 0 4 1 3 .5 5 5 6 ,2 9 % D ru ck sp ie l 4 2 -8 2 b ar 7 5 .3 7 6 4 6 9 8 0 2 9 .7 7 2 4 0 3 2 .6 7 0 1 .6 6 0 5 .0 4 0 2 2 .2 1 1 7 ,1 7 % D ru ck sp ie l 8 0 -1 2 0 b ar 7 5 .1 3 2 5 2 8 8 8 0 1 0 .8 3 2 4 8 0 2 .9 3 6 1 .6 8 4 5 .7 3 3 3 5 .8 7 0 8 ,4 0 % Zu fe u er u n gs - te m p . - 2 0 0 7 7 .4 3 7 4 9 5 8 0 9 1 0 .2 7 4 4 2 6 2 .7 2 7 1 .6 8 8 5 .4 3 3 2 7 .7 5 4 7 ,6 1 % Zu fe u er u n gs - te m p . - 4 0 0 7 7 .3 8 0 4 7 5 7 0 6 9 .8 2 8 3 5 7 2 .4 0 2 1 .6 5 1 5 .4 1 8 2 7 .5 2 9 7 ,5 9 % Zu fe u er u n gs - te m p . m in . 7 9 .4 1 4 4 1 6 4 0 8 8 .3 8 2 1 1 0 1 .5 0 0 1 .5 7 2 5 .2 0 0 2 1 .2 6 5 6 ,9 8 % B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 49 /1 90 T a b e lle 2 5 : Si m u la ti o n se rg e b n is se f ü r D _ R e k in d e n S ze n a ri e n 2 0 2 5 u n d 2 0 3 5 2 0 2 5 2 0 3 5 V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g 1 /1 /1 2 3 4 0 - 1 3 - 9 75 1 0 1 7 -1 3 - 9 76 1 /1 0 /8 8 2 3 1 4 2 - 6 7 - 5 .6 8 5 3 95 6 8 -7 2 - 5 .7 6 6 2 /1 0 /8 4 7 2 1 6 3 - 7 3 - 6 .1 7 6 2 25 7 8 -7 7 - 6 .2 4 7 5 /1 0 /8 2 2 1 1 9 1 - 9 4 - 7 .6 8 9 1 16 1 00 -9 6 - 7 .7 4 0 7 /1 0 /8 1 7 0 2 0 5 -1 07 - 8 .7 0 6 9 4 1 13 - 1 10 - 8 .7 5 3 1 0 /1 /8 1 4 2 4 7 - 7 7 - 5 .6 4 0 7 1 29 -7 7 - 5 .6 4 4 1 0 /2 /8 2 9 2 4 8 - 8 3 - 6 .1 5 0 1 5 1 29 -8 3 - 6 .1 5 7 1 0 /4 /8 5 7 2 4 5 - 9 4 - 7 .1 7 1 3 0 1 29 -9 5 - 7 .1 8 6 1 0 /5 /7 6 2 2 1 4 -1 00 - 7 .6 4 4 3 3 1 13 - 1 01 - 7 .6 6 4 1 0 /5 /8 7 0 2 4 1 -1 00 - 7 .6 8 1 3 7 1 29 - 1 01 - 7 .7 0 0 1 0 /5 /9 7 7 2 6 6 - 9 9 - 7 .7 1 7 4 1 1 43 - 1 01 - 7 .7 3 9 1 0 /5 /1 0 8 4 2 9 2 - 9 9 - 7 .7 5 3 4 6 1 60 - 1 00 - 7 .7 7 5 1 0 /6 /8 8 2 7 1 1 - 7 8 - 6 .0 5 4 4 5 1 28 - 1 07 - 8 .2 1 6 1 0 /7 /8 9 4 2 3 3 -1 11 - 8 .7 0 2 5 1 1 27 - 1 13 - 8 .7 3 3 1 0 /9 /8 1 1 8 2 2 6 -1 23 - 9 .7 2 6 6 5 1 25 - 1 25 - 9 .7 6 6 1 0 /1 1 /8 1 3 8 2 1 7 -1 34 - 1 0 .7 49 7 8 1 22 - 1 37 -1 0 .8 0 1 1 0 /1 0 /1 2 3 3 9 -1 32 - 9 .7 5 1 9 1 6 - 1 32 - 9 .7 5 8 1 0 /1 0 /4 7 6 1 3 2 -1 30 - 9 .9 5 1 3 8 6 5 - 1 31 - 9 .9 7 9 1 0 /1 0 /8 1 2 8 2 2 0 -1 28 - 1 0 .2 38 7 1 1 23 - 1 31 -1 0 .2 8 5 1 0 /1 0 /1 2 1 7 1 2 9 6 -1 27 - 1 0 .5 35 9 6 1 66 - 1 30 -1 0 .5 9 4 1 0 /1 0 /2 4 2 7 5 4 7 1 -1 27 - 1 1 .4 80 1 51 2 58 - 1 34 -1 1 .6 0 4 B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 50 /1 90 2 0 2 5 2 0 3 5 V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g 5 0 /2 5 /1 0 8 4 2 9 1 -4 97 -3 8 .7 6 5 4 6 1 60 -5 02 -3 8 .8 7 6 5 0 /1 0 0 /8 2 2 4 1 9 3 -9 35 -7 6 .8 9 1 1 16 1 00 -9 61 -7 7 .4 0 1 1 0 0 /5 0 /4 3 9 1 3 6 -1 .0 05 -7 5 .3 9 3 1 9 6 5 -1 .0 12 -7 5 .5 3 3 1 0 0 /5 0 /8 7 0 2 4 2 -9 96 -7 6 .8 1 3 3 7 1 29 -1 .0 07 -7 7 .0 1 2 1 0 0 /5 0 /9 7 7 2 6 6 -9 94 -7 7 .1 6 8 4 1 1 43 -1 .0 06 -7 7 .3 8 7 1 0 0 /5 0 /1 0 8 4 2 9 2 -9 93 -7 7 .5 3 1 4 6 1 60 -1 .0 05 -7 7 .7 5 3 1 0 0 /5 0 /1 1 9 1 3 1 6 -9 92 -7 7 .9 0 2 5 1 1 75 -1 .0 04 -7 8 .1 3 5 1 0 0 /5 0 /1 2 9 7 3 3 6 -9 90 -7 8 .2 6 6 5 5 1 89 -1 .0 03 -7 8 .5 1 8 1 0 0 /4 0 /1 3 8 6 3 6 8 -9 33 -7 3 .1 7 0 4 8 2 07 -9 43 -7 3 .3 6 4 1 0 0 /5 0 /1 3 1 0 4 3 5 8 -9 89 -7 8 .6 4 8 5 9 2 04 -1 .0 03 -7 8 .9 0 8 1 0 0 /6 0 /1 3 1 2 1 3 4 7 -1 .0 45 -8 4 .1 3 4 7 0 2 00 -1 .0 62 -8 4 .4 6 7 1 0 0 /5 0 /1 4 1 1 0 3 7 7 -9 89 -7 9 .0 2 8 6 3 2 17 -1 .0 02 -7 9 .2 9 4 1 0 0 /1 0 0 /1 2 4 4 3 -1 .3 19 -9 7 .5 3 3 1 0 1 7 -1 .3 23 -9 7 .6 0 6 1 0 0 /1 0 0 /8 1 2 7 2 2 0 -1 .2 83 -1 02 .3 76 7 1 1 23 -1 .3 07 -1 02 .8 45 1 0 0 /1 0 0 /2 4 2 8 4 4 8 9 -1 .2 70 -1 14 .7 69 1 51 2 60 -1 .3 32 -1 15 .9 57 2 0 0 /1 0 0 /8 7 0 2 4 1 -1 .9 93 -1 53 .6 16 3 7 1 29 -2 .0 14 -1 54 .0 15 2 0 0 /1 0 0 /9 7 7 2 6 6 -1 .9 89 -1 54 .3 28 4 1 1 43 -2 .0 11 -1 54 .7 65 4 0 0 /2 0 0 /9 7 6 2 6 3 -3 .9 80 -3 08 .6 58 4 1 1 43 -4 .0 23 -3 09 .4 93 4 0 0 /4 0 0 /8 1 2 7 2 2 0 -5 .1 31 -4 09 .5 03 7 1 1 23 -5 .2 28 -4 11 .3 82 8 0 0 /4 0 0 /9 7 7 2 6 6 -7 .9 55 -6 17 .3 27 4 1 1 43 -8 .0 45 -6 19 .0 80 8 0 0 /4 0 0 /1 2 9 8 3 3 7 -7 .9 21 -6 26 .2 14 5 5 1 90 -8 .0 25 -6 28 .2 28 8 0 0 /4 0 0 /1 4 1 1 0 3 7 7 -7 .9 06 -6 32 .2 15 6 3 2 17 -8 .0 18 -6 34 .3 91 B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 51 /1 90 2 0 2 5 2 0 3 5 V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g Ei n sp ei ch er u n g A u ss p e ic h er u n g V ar ia n te n m it D R ek 1 0 0 /1 0 0 /8 D ru ck sp ie l 2 5 -5 0 b b ar 1 1 6 2 0 0 -1 .3 19 -1 04 .9 96 6 4 1 10 -1 .3 41 -1 05 .4 21 D ru ck sp ie l 4 2 -8 2 b ar 1 1 5 1 9 7 -1 .2 63 -9 9 .8 3 0 6 7 1 14 -1 .2 88 -1 00 .3 07 D ru ck sp ie l 8 0 -1 2 0 b ar 1 2 6 2 1 0 -1 .2 50 -9 9 .3 3 6 7 5 1 25 -1 .2 75 -9 9 .8 1 9 Zu fe u er u n gs te m p . -2 0 0 1 1 0 1 8 0 -1 .2 93 -1 02 .4 67 5 8 9 4 -1 .3 08 -1 02 .7 55 Zu fe u er u n gs te m p . -4 0 0 1 0 0 1 4 8 -1 .3 16 -1 02 .8 58 5 5 8 2 -1 .3 20 -1 02 .9 34 Zu fe u er u n gs te m p . m in . 4 7 4 6 -1 .3 90 -1 06 .3 22 4 4 4 3 -1 .3 92 -1 06 .3 65 B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 52 /1 90 T a b e lle 2 6 : Si m u la ti o n se rg e b n is se f ü r D _ T ES in 2 0 1 4 In ve st it io n s- ko st e n in T € V o lll a st st u n d e n in h Ei n n a h m e n in T € A u sg a b e n in T € G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € In te rn e r Zi n ss a tz Ei n sp e ic h e ru n g A u ss p e ic h e ru n g Ei n sp e ic h e ru n g Zu fe u e ru n g O & M 1 0/ 5/ 1 5 .5 03 4 37 6 61 6 39 4 1 1 9 1 14 4 65 3 .4 9 9 9 ,4 2 % 1 0/ 10 /1 7 .2 34 6 33 4 81 8 45 8 5 2 8 1 51 5 80 7 16 5 ,5 6 % 1 0/ 10 /4 8 .6 74 1 .1 75 8 94 1 .0 6 0 1 94 5 1 1 83 6 32 1 .5 6 1 6 ,1 5 % 1 0/ 10 /8 1 0 .5 69 1 .4 77 1 .1 24 1 .1 7 5 2 53 6 1 2 15 6 46 1 .6 2 5 6 ,1 4 % 1 0/ 10 /1 2 1 2 .4 58 1 .5 83 1 .2 05 1 .2 1 9 2 68 6 8 2 41 6 43 1 .3 5 5 5 ,9 1 % 1 0/ 10 /2 4 1 8 .1 34 1 .8 63 1 .4 19 1 .3 2 9 3 24 7 9 3 18 6 07 3 5 5 ,0 2 % 5 0/ 10 0/ 8 8 9 .2 10 2 .0 76 7 90 8 .2 4 0 1 .9 7 4 4 32 1 .7 0 2 4 .1 3 2 -9 .1 95 4 ,1 7 % 1 00 /5 0/ 1 5 5 .0 25 4 35 6 59 6 .3 7 3 4 07 1 90 1 .1 4 4 4 .6 3 1 3 4 .6 47 9 ,3 8 % 1 00 /5 0/ 4 6 2 .1 16 7 40 1 .1 25 7 .7 4 3 9 30 3 18 1 .3 1 3 5 .1 8 2 9 .9 4 1 5 ,8 9 % 1 00 /5 0/ 8 7 1 .5 76 9 50 1 .4 46 8 .5 5 5 1 .3 3 2 4 06 1 .4 8 6 5 .3 3 2 1 1 .8 16 6 ,0 3 % 1 00 /1 00 /1 7 2 .8 45 6 47 4 90 8 .5 1 2 8 73 2 76 1 .5 2 0 5 .8 4 3 4 0 .3 00 8 ,8 9 % 1 00 /1 00 /8 1 08 .3 5 6 1 .4 93 1 .1 36 1 1 .8 05 2 .5 6 9 6 20 2 .1 8 4 6 .4 3 1 1 6 .1 66 6 ,1 3 % 1 00 /1 00 /2 4 1 89 .3 0 9 1 .8 47 1 .4 06 1 3 .2 14 3 .1 8 2 7 63 3 .2 7 7 5 .9 9 2 - 7 3 .2 85 1 ,5 4 % 2 00 /1 00 /1 1 10 .0 4 8 4 38 6 63 1 2 .7 70 8 23 3 72 2 .2 8 9 9 .2 8 7 6 9 .7 70 9 ,4 1 % 2 00 /1 00 /2 1 14 .7 7 2 4 38 6 63 1 3 .9 57 1 .1 7 6 4 80 2 .4 1 0 9 .8 9 1 6 9 .7 70 9 ,4 1 % 2 00 /1 00 /8 1 47 .4 8 2 9 66 1 .4 70 1 7 .2 02 2 .7 4 1 8 01 3 .0 3 3 1 0 .6 26 5 8 .2 77 7 ,8 5 % 2 00 /2 00 /1 1 45 .0 9 3 6 18 4 68 1 6 .8 08 1 .6 1 7 5 30 3 .0 1 7 1 1 .6 45 8 0 .3 82 8 ,9 0 % 2 00 /2 00 /8 2 11 .3 1 4 1 .4 79 1 .1 26 2 3 .5 13 5 .0 6 5 1 .2 2 9 4 .2 9 4 1 2 .9 24 3 8 .9 43 6 ,3 9 % 2 00 /4 00 /8 3 47 .3 1 6 2 .0 71 7 88 3 2 .9 24 7 .8 7 1 1 .7 2 5 6 .6 8 7 1 6 .6 41 - 2 5 .1 00 4 ,4 2 % B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 53 /1 90 In ve st it io n s- ko st e n in T € V o lll a st st u n d e n in h Ei n n a h m e n in T € A u sg a b e n in T € G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € In te rn e r Zi n ss a tz Ei n sp e ic h e ru n g A u ss p e ic h e ru n g Ei n sp e ic h e ru n g Zu fe u e ru n g O & M 4 00 /2 00 /1 2 20 .0 9 6 4 42 6 69 2 5 .6 31 1 .6 7 3 7 54 4 .5 8 3 1 8 .6 22 1 40 .4 8 1 9 ,4 4 % 4 00 /2 00 /8 2 86 .3 0 4 9 57 1 .4 57 3 4 .3 06 5 .4 0 7 1 .5 8 8 5 .9 5 1 2 1 .3 60 1 27 .2 9 8 8 ,1 8 % 4 00 /2 00 /2 4 4 37 .6 6 7 1 .2 34 1 .8 86 3 8 .3 77 6 .8 6 9 2 .0 4 7 8 .1 1 8 2 1 .3 42 - 2 4 .4 16 4 ,5 5 % 4 00 /4 00 /1 2 90 .1 8 5 6 48 4 90 3 4 .0 44 3 .4 8 2 1 .1 0 8 6 .0 6 5 2 3 .3 88 1 62 .6 7 7 8 ,9 4 % 4 00 /4 00 /8 4 32 .7 2 9 1 .4 93 1 .1 36 4 7 .2 01 1 0 .2 63 2 .4 8 0 8 .7 2 7 2 5 .7 30 6 5 .4 78 6 ,1 5 % 4 00 /4 00 /2 4 7 25 .3 5 3 1 .8 72 1 .4 31 5 3 .2 41 1 2 .9 87 3 .1 0 6 1 2 .7 49 2 4 .3 99 - 2 52 .9 2 0 1 ,9 3 % 8 00 /4 00 /1 4 40 .1 9 1 4 34 6 57 5 1 .0 33 3 .2 5 4 1 .5 1 8 9 .1 4 9 3 7 .1 12 2 78 .4 1 6 9 ,4 0 % 8 00 /4 00 /8 5 72 .6 0 9 9 57 1 .4 57 6 8 .6 11 1 0 .8 13 3 .1 7 6 1 1 .9 01 4 2 .7 20 2 54 .5 8 8 8 ,1 8 % 1 00 /1 00 /8 / 2 5 -5 0 1 09 .2 9 6 1 .4 81 1 .1 98 1 1 .6 88 2 .6 5 2 7 38 2 .2 1 7 6 .0 8 1 8 .4 5 3 5 ,6 0 % 1 00 /1 00 /8 / +2 00 1 03 .3 8 5 1 .1 17 9 37 1 0 .9 52 1 .6 4 4 1 .2 2 4 2 .0 5 3 6 .0 3 1 1 3 .3 90 5 ,9 9 % 1 00 /1 00 /1 TE Sm in 7 0 .1 53 4 80 4 79 8 .4 6 4 4 75 1 .1 3 5 1 .4 8 3 5 .3 7 1 3 3 .8 51 8 ,4 3 % 1 00 /1 00 /8 TE Sm in 1 9 3 .4 96 9 31 8 21 1 0 .5 19 1 .1 4 0 1 .4 2 9 1 .8 9 1 6 .0 5 9 2 3 .8 34 6 ,8 9 % 1 00 /1 00 /8 TE Sm in 2 8 7 .5 52 7 47 7 52 1 0 .2 48 7 99 1 .7 4 6 1 .7 9 3 5 .9 1 1 2 6 .8 94 7 ,2 6 % 1 00 /1 00 /2 4 TE Sm in 1 27 .3 2 8 1 .0 17 1 .0 24 1 1 .6 24 1 .1 1 2 2 .3 6 0 2 .3 7 9 5 .7 7 3 - 1 5 .5 45 4 ,0 1 % B er ic h tr ei h e. N r. A u to re n D at u m Fo rs ch u n gs e rg e b n is se 5 B o ys e n .; G ro tl ü sc h e n .; G ro ß e r. ; K a ld e m e ye r; T u sc h y 2 6 .0 1 .2 0 1 8 Ti te l D ru ck lu ft sp e ic h e rk ra ft w e rk S ch le sw ig -H o ls te in Se it e 1 54 /1 90 T a b e lle 2 7 : Si m u la ti o n se rg e b n is se f ü r D _ T ES in d e n S ze n a ri e n 2 0 2 5 u n d 2 0 3 5 2 0 2 5 2 0 3 5 V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € V o lll a st st u n d e n in h G e w in n in T € K a p it a lw e rt in T € Ei n sp e ic h e ru n g A u ss p e ic h e ru n g Ei n sp e ic h e ru n g A u ss p e ic h e ru n g 1 0/ 10 /8 3 53 2 69 -1 40 -1 3 .2 8 6 1 43 1 08 -1 51 -1 3 .4 8 5 5 0/ 10 0/ 8 5 75 2 19 -1 .1 33 -1 11 .1 47 2 49 9 5 -1 .2 10 -1 10 .3 74 1 00 /1 00 /1 6 5 4 9 -1 .2 82 -9 7 .6 7 4 2 8 2 1 -1 .2 99 -9 7 .6 9 3 1 00 /1 00 /8 3 51 2 67 -1 .4 36 -1 36 .1 58 1 42 1 08 -1 .5 06 -1 34 .8 12 1 00 /1 00 /2 4 7 71 5 87 -1 .9 60 -2 19 .2 87 3 28 2 49 -2 .2 15 -2 24 .2 18 2 00 /1 00 /8 2 05 3 13 -2 .1 01 -1 88 .1 66 9 5 1 44 -2 .1 53 -1 84 .8 73 4 00 /4 00 /8 3 48 2 65 -5 .6 07 -5 31 .2 03 1 40 1 06 -6 .0 23 -5 39 .2 55 1 00 /1 00 /8 / 2 5 -5 0 b ar 3 48 2 81 -1 .4 09 -1 34 .3 47 1 36 1 10 -1 .5 20 -1 36 .4 94 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 155/190 I. Mathematische Beschreibung des Betriebsmodells Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 156/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 157/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 158/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 159/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 160/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 161/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 162/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 163/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 164/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 165/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 166/190 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 167/190 J. Modellierung des Versorgungssystems mit renpassG!S Open Energy Modelling Framework Das Marktmodells renpassG!S wurde innerhalb eines offenen Frameworks für die Energiesystemmo- dellierung entworfen, das im Folgenden beschrieben wird. Das Open Energy Modelling Framework (oemof) [69] adressiert das Problem mangelnder Transparenz von Energiesystemmodellen durch die Bereitstellung eines freien, quelloffenen und sauber dokumentierten Frameworks für die Energiesys- temmodellierung. Dieser Ansatz erlaubt einen fundierten wissenschaftlichen Diskurs über die zu Grunde liegenden Modelle und Daten und verbessert somit die Qualität und Aussagekraft der durch- geführten Analysen. Zudem lässt ein modularer Aufbau des Frameworks die Anpassung an eine Viel- zahl von Anwendungszwecken zu. Das Zentrum für nachhaltige Energiesysteme (ZNES) entwickelt das Framework gemeinsam mit dem Reiner Lemoine Institut (RLI) in Berlin und der Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) Magdeburg. oemof bietet dabei in einer Art Baukastensystem eine Vielzahl von Funktionalitäten, die zur Erstellung von Energiesystemmodellen in hoher zeitlicher in räumlicher Auflösung genutzt werden können. Hierzu zählt etwa die Simulation der Windenergieeinspeisung einer Region auf Basis von Wetterdaten, die Berechnung des CO2 minimalen Einsatzes von Biomassekraftwerken oder die Simulation der zu- künftigen Energieversorgung in Europa. Das Framework besteht aus verschiedenen Paketen, die über geeignete Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Ein Paket stellt wiederum eine Sammlung aus verschiedenen Modulen dar, die eine definierte Aufgabenstellung auf verschiedene Art und Weise lösen. Eine Verknüpfung ausge- wählter Funktionalitäten durch die Module der einzelnen Pakete wird in oemof als Applikation (App) bezeichnet und stellt beispielsweise ein konkretes Energiesystemmodell dar. Die folgende Abbildung 65 veranschaulicht das zugrundeliegende Konzept. So wird neben anderen Applikationen beispiels- weise auch „renpassG!S“ als Applikation innerhalb des Frameworks entwickelt. Allgemein ist durch den modularen Ansatz des Frameworks eine Anwendung auf sehr unterschiedliche Anwendungszwe- cke möglich. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 168/190 Die kollaborative Entwicklung und Nutzung eines Frameworks bietet verschiedene Vorteile: − Synergien: Bei der gemeinsamen Entwicklung können Synergien zwischen den beteiligten In- stituten genutzt werden. − Kontrolle: Fehler werden aufgrund mehrerer Entwickler und Nutzer schneller identifiziert und behoben. − Verbesserung: Die auf oemof basierende Applikation profitiert von Weiterentwicklungen des Frameworks. Die Modellierung von Energiesystemen mit ihrer Vielzahl an benötigten Objekten folgt innerhalb des Frameworks einer klaren, hierfür entwickelten Methodik. Dabei lassen sich beliebig komplexe Energie- systeme stets auf die gleichen Grundbausteine zurückführen. Diese bilden wiederum zusammen eine universelle Grundstruktur. Ein Knoten (Node) stellt entweder eine Sammelschiene (Bus) oder eine Komponente (Component) dar. Ein Bus steht dabei in Verbindung mit einer oder mehreren Komponenten. Zudem ist er durch einen eindeutigen Bezeichner und Typ (z.B. Elektrizität, Gas, Wärme) charakterisiert. Komponenten können Ressourcen aus einem Bus entnehmen oder zu diesem hinzufügen. Alle Entnahmen aus einem Bus stellen dabei die Eingangsgrößen für Komponenten dar. Analog dazu stellen alle Eingangsgrößen eines Busses wiederum die Ausgangsgrößen von Komponenten dar. Eine Komponente steht immer in Verbindung mit einem oder mehreren Bussen. Aufgrund ihrer Eigen- schaften werden Komponenten in verschiedene Untertypen aufgeteilt. Ein Wandler (Transformer) hat Abbildung 65: Konzept des Energiesystemmodellierungsframeworks Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 169/190 einen Eingang und einen Ausgang. Eine Gasturbine entnimmt z.B. aus einer Sammelschiene des Typs Gas und speist in eine Sammelschiene des Typs Elektrizität ein. Wandler verfügen zudem über zusätz- liche Informationen, die in Übertragungsfunktionen genutzt werden können. Bei einer Gasturbine kann z.B. mit Hilfe des Wirkungsgrades eine Beziehung zwischen dem Ressourcenverbrauch (Eingang) und der bereitgestellten Sekundärenergie (Ausgang) modelliert werden. Eine Senke (Sink) verfügt stets über genau einen Eingang und hat keinen Ausgang. Mit diesen Objekten können einzelne Verbraucher wie z. B. Haushalte dargestellt werden. Eine Quelle (Source) verfügen über genau einen Ausgang und haben keinen Eingang. Auf diese Weise können beispielsweise Windenergie- oder Photovoltaika- nalagen modelliert werden. Objekte des Typs Transport verfügen wiederum wie Transformer über ei- nen Eingang und einen Ausgang. Allerdings haben hier die dazugehörigen Sammelschienen immer den- selben Typ (z.B. Elektrizität). Mit Objekten des Typs Transport können so beispielsweise Stromleitun- gen modelliert werden. Abbildung 66 illustriert den Aufbau eines einfachen Energiesystems auf Basis der zuvor erläuterten Grundstruktur. Abbildung 66 Modellierung eines einfachen Energiesystems innerhalb des Frameworks Komponenten und Busse lassen sich zu einem Energiesystem verbinden. Die Verbindung der Knoten erfolgt über Kanten (Edges), welche die Eingänge und Ausgänge der Knoten darstellen. Die Ein- und Ausgänge der Komponenten stellen dabei die (gerichteten) Kanten des Graphs dar. Die Busse selbst entsprechen den Knoten des Graphs. Entsprechende Ein- bzw. Ausgangsgrößen von Bussen bzw. Kom- ponenten stellen den Fluss (Flow) einer Kante dar. Ein so erstelltes Modell lässt sich mathematisch als bipartiter Graph interpretieren, da Sammelschienen ausschließlich mit Komponenten verbunden sind Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 170/190 und umgekehrt. Neben der Möglichkeit der Verwendung von Basiskomponenten besteht die Möglich- keit auf deren Basis speziellere Komponenten zu erstellen und diese innerhalb der Modellierung zu verwenden. Das Framework ist in Python programmiert und stellt unter Zuhilfenahme diverser Module für wissen- schaftliche Anwendungen (Mathematische Optimierung, Netzwerkanalyse, Datenanalyse) im Zusam- menhang mit einer PostgresQL/PostGIS Datenbank eine Vielzahl an mächtigen Funktionalitäten bereit. Es handelt sich dabei um eine Zusammenstellung von Python-Modulen, die in Form von Paketen grup- piert werden. Durch das Ziel, das Framework möglichst zugänglich zu gestalten, ist jedes Modul aus- führlich dokumentiert. Dies stellt zudem die Nachvollziehbarkeit der durchgeführten Analysen sicher. Verwendung von Fundamentalmodellen Zur Entscheidungsunterstützung von Energieversorgern, -verbrauchern und -händlern wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl an Modellen und Ansätzen, unter anderem zur Modellierung bzw. Prog- nose von Preisen an diversen Strommärkten, entwickelt. Ein detaillierter Überblick über den derzeiti- gen Stand der Wissenschaft im Bereich der Energiesystemmodellierung sowie zukünftige Trends und Herausforderungen wird hierbei in [70] gegeben. Laut [71] bilden im Bereich der Modellierung der für die Einbindung von erneuerbaren Energien be- sonders wichtigen Spotmarktpreisen die Fundamentalmodelle eine bedeutende Kategorie. Überdies bestehen weitere Modellkategorien zur Modellierung von Strompreisen, die sich in spieltheoretische Ansätze [72] [73], technische Analyse- und Expertensysteme, ökonometrische-stochastische Modelle [74] [75] sowie künstliche-Intelligenz-Modelle [76] untergliedern lassen. Zudem existiert eine Vielzahl an hybriden Modellen, die verschiedene Modelle aus den obengenannten Kategorien miteinander kombiniert, um so zu qualitativ höherwertigen Ergebnissen zu gelangen. Für weitere Informationen wird an dieser Stelle auf eine umfassende Studie [71] verwiesen, die verschiedene Modelltypen kate- gorisiert und analysiert. In Fundamentalmodellen werden die physischen und ökonomischen Zusammenhänge in der Stromer- zeugung und im Handel mit Strom abgebildet, um daraus resultierende Marktpreise zu ermitteln. Da- für werden die wesentlichen Zusammenhänge zwischen fundamentalen Einflussgrößen wie beispiels- weise Wetter- und Lastdaten innerhalb eines Modells formuliert und anschließend die Eingangspara- meter des Modells unabhängig voneinander erhoben, bestimmt bzw. prognostiziert. Die Verwendung von Fundamentalmodellen basiert auf der Annahme der klassischen ökonomischen Theorie, nach wel- cher sich Preise in Märkten mit intensivem Wettbewerb als Ergebnis des Gleichgewichts von Angebot und Nachfrage einstellen [77]. Im Day-Ahead-Markt entspricht dieser Preis im theoretischen Idealfall eines perfekten Wettbewerbs den Grenzkosten des letzten Kraftwerks, das gebraucht wird, um die Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 171/190 entsprechende Stromnachfrage zu decken [78] [79]. Dieser Preis wird im Modell abgebildet und als entsprechender Marktpreis bzw. dessen Näherung interpretiert. Allgemein unterscheiden sich Fundamentalmodelle hinsichtlich des gewählten Ansatzes und Progno- sehorizontes bzw. -ziels [80]. Neben Ansätzen aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse und Ökonomet- rie, wie beispielsweise in [81] bzw. [82] zur Preisfindung von Derivaten wurden in der Vergangenheit bereits Methoden zur Modellierung von Spotmarkpreisen in verschiedenen Marktregionen ange- wandt. So wurden etwa in [83] [84] sowie [85] Spotmarkpreise für den britischen bzw. skandinavischen Markt modelliert. Weiterhin wurden in [86] [87] [88] sowie [78] Optimierungsmethoden unter Berück- sichtigung intertemporaler Restriktionen zur Modellierung von Spotmarktpreisen für den deutschen bzw. kalifornischen Markt verwendet. Die Stärke von Fundamentalmodellen zur Modellierung von Strompreisen liegt in der Fähigkeit auftre- tende Nichtlinearitäten in der Angebotskurve des Kraftwerksparks (Merit-Order) abzubilden sowie in der Fähigkeit zeitabhängige Größen, wie etwa Brennstoff- und CO2-Preise oder die Einspeisung erneu- erbarer Energien, konsistent zu berücksichtigen [80]. Zudem sind Fundamentalmodelle flexibel im Hin- blick auf die Integration bzw. die Veränderung von Fundamentaltreibern wie beispielsweise verschie- dener Windeinspeisezeitreihen oder einer veränderten Kostenstruktur. So können geeignete Szenari- orechnungen Einblicke in zukünftige Entwicklungen des Energiesystems und -marktes gewähren. Die Modellierung von Preiseinflüssen neben oben genannten Grenzkosten des jeweils letzten Kraft- werks gestaltet sich innerhalb von Fundamentalmodellen als schwierig. So können Einflussgrößen wie etwa (vermiedene) Startkosten für Kraftwerke, verschiedene Marktsituationen oder das Bieterverhal- ten im Energiehandel beispielsweise besser durch den Einsatz von Regressionsmodellen erfasst wer- den [80]. Dennoch existieren Möglichkeiten die oben genannten Einflussgrößen -zumindest teilweise- innerhalb von Fundamentalmodellen zu berücksichtigen [86]. Für die im Rahmen dieses Projektes durchgeführte Technologiebewertung unter Berücksichtigung von Entwicklungspfaden des zukünftigen Energieversorgungssystems wurde nach der Evaluation verschie- dener Ansätze bewusst ein Fundamentalmodell zur Modellierung möglicher zukünftiger Marktpreise gewählt. Dies ermöglicht die monolithische und modellendogene Berechnung von Preisen unter Be- rücksichtigung verschiedenster Fundamentalfaktoren innerhalb einer Modelllogik und eines geschlos- senen Szenariorahmens. Gleichermaßen kann der Einsatz- von Kraftwerken oder die Auslastung der vorhandenen Netzinfrastruktur stets auf die verwendeten Eingangsparameter des jeweiligen Szenarios zurückgeführt werden. Ein solcher Ansatz lässt die konsistente Bewertung verschiedener Ergebnisse im Rahmen der Model- lierung zu, was im Falle ökonometrisch-stochastischer Modelle, wie sie beispielsweise in [89] oder [90] Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 172/190 zur Anwendung kommen, nicht möglich wäre. Entsprechende Ansätze wurden zwar im Rahmen des Projektes geprüft und zeigen für kurzfristige Prognosen akzeptable Ergebnisse, stellen aber bei größe- ren Prognosehorizonten von mehreren Jahren ein „Blackbox-Modell“ dar, da sie keine Rückschlüsse auf den Preisbildungsprozess zulassen. Zudem ist durch die Verwendung eines Fundamentalmodells die Betrachtung von Entwicklungspfaden innerhalb des gesamten europäischen Energiesystems mög- lich. Folglich können durch die Verwendung dieses Ansatzes auch komplexe, länderübergreifende technische und wirtschaftliche Wechselwirkungen analysiert werden. Behandlung von Unsicherheiten Wie bereits in [86] und [80] erläutert, stellt die adäquate Abbildung des Preisbildungsprozesses in Elektrizitätsmarktmodellen die entscheidende methodische Herausforderung dar. Für die Berechnung der sich unter den Bedingungen eines funktionierenden Wettbewerbs einstellenden Marktergebnisse innerhalb eines optimierenden Fundamentalmodells müssen somit alle wesentlichen für die Preisbil- dung verantwortlichen technischen, strukturellen und ökonomischen Einflüsse erfasst werden. Eine sachgerechte Modellierung des Kraftwerkseinsatzes sowie Abbildung der Angebotserstellung seitens der Kraftwerksbetreiber ist daher unabdingbar. Zudem bestehen Herausforderungen im Bereich der Parametrierung, die einerseits auf eine in Teilbe- reichen mangelhafte Datenverfügbarkeit und andererseits -im Falle prognostizierter Daten- auf eine Unsicherheitsbehaftung der verwendeten Größen zurückzuführen ist. Daher werden die wichtigsten Herausforderungen im Anhang zusammengefasst. Für eine ausführliche Diskussion wird an dieser Stelle zudem auf [86] und [91] verwiesen. Die Berücksichtigung von intertemporalen Restriktionen wie Anfahrvorgängen, Mindeststillstands- und Mindestbetriebszeiten sowie der kraftwerksspezifischen Leistungsänderungsgeschwindigkeiten und Mindestleistungsbedingungen hat Auswirkungen auf die Modellierung des Preisbildungsprozes- ses. Zudem beeinflusst die Abbildung von Pumpspeicherkraftwerken den Prozess ebenfalls in hohem Maße. In Fundamentalmodellen auf Basis der Methode der gemischt-ganzzahligen linearen Program- mierung können solche dynamischen Restriktionen mit Hilfe von Binärvariablen berücksichtigt wer- den. Diese haben allerdings erheblichen Einfluss auf den Rechenaufwand des Modells [21] und sollten somit nur bei einem entsprechenden Bedarf an Genauigkeit verwendet werden. Der Teillastbetrieb von Kraftwerken, also eine Leistungsabsenkung der Kraftwerke unter die Nennleis- tung, ist in der Regel mit Wirkungsgradeinbußen verbunden. Sollen diese Wirkungsgradänderungen durch Teillastbetrieb berücksichtigt werden, kann in linearen Optimierungsmodellen der Zusammen- Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 173/190 hang von spezifischem Brennstoffverbrauch und Änderung der elektrischen Leistung zwischen Mini- mal- und Maximalleistung vorgenommen werden. Entsprechende Ansätze wurden beispielsweise in [92] aufgezeigt. Die Abbildung der spezifischen Betriebsweise von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen stellt eine weitere Herausforderung im Rahmen der Modellierung dar. So unterscheiden sich etwa Gegendruckturbinen- und Entnahmekondensationsanlagen hinsichtlich ihrer Betriebsfelder und können im Rahmen der Mo- dellierung getrennt abgebildet werden. Zudem gestaltet sich die systemische Einbindung von KWK- Anlagen zum Teil sehr unterschiedlich, was großen Einfluss auf die vorhandene Flexibilität und das Verhalten am Elektrizitätsmarkt haben kann. So macht es beispielsweise einen großen Unterschied, ob eine Anlage eng an ein Fernwärmenetz gekoppelt ist, dessen Wärmelast stets gedeckt werden muss, oder dezentral an einem Wärmespeicher betrieben wird. Durch die zum Teil sehr individuellen Fälle des Anlagenbetriebs gestaltet sich deren adäquate Berücksichtigung als schwierig. Der Markt für Regelleistung stellt die Versorgungssicherheit bei unvorhersehbaren Lastschwankungen oder unerwarteten Ausfällen von Kraftwerken sicher. Kraftwerke, die parallel zum Spotmarkt am Markt für Regelleistung agieren, können nicht mehr ihre gesamte Leistung am Markt platzieren, da diese für eventuelle Abrufe bereitgehalten werden muss. Soll dieser Umstand im Rahmen der Model- lierung berücksichtigt werden, bieten sich verschiedene Möglichkeiten. So kann wie in [86] beispiels- weise die Leistungsvorhaltung modellendogen optimiert werden und auf sich im Betrieb befindliche (drehende) Kraftwerke und stehende Kraftwerke aufgeteilt werden. Eine weitere einfache Möglichkeit stellt die Berücksichtigung im Rahmen der durchschnittlichen Nichtverfügbarkeiten von Kraftwerken dar. Die blockscharfe Abbildung des Kraftwerksparks ist, allein in Deutschland, durch den daraus resultie- renden Rechenaufwand nahezu unmöglich [86]. Hier stellt die Bildung von Kraftwerksklassen in Ab- hängigkeit von der mathematischen Problemgröße bzw. des vertretbaren Rechenaufwandes eine Möglichkeit dar, dieser Herausforderung zu begegnen. Im Falle einer starken brennstoff- und/oder technologiebezogenen Aggregation von Kraftwerksblöcken, lassen sich laut [86] jedoch die einzelnen kostenseitigen Abstufungen in der Kraftwerkseinsatzreihenfolge, die sich auf den Preisbildungsprozess auswirken, unter Umständen nicht adäquat erfassen. Die Abbildung kühlwasserbedingter Einflüsse auf die realisierbare Leistung einzelner Kraftwerke und den jeweiligen Wirkungsgrad stellt im Rahmen linearer Optimierungsansätze eine methodische Her- ausforderung dar, der nur begrenzt begegnet werden kann. So sind die thermodynamischen Zusam- menhänge zwischen den technischen Betriebsbedingungen und der Kühlwassertemperatur des Flus- ses am Kraftwerksstandort bzw. Möglichkeiten der Entnahme standortabhängig und sehr individuell. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 174/190 Eine adäquate Berücksichtigung würde eine entsprechend gute Datenlage voraussetzen und wäre äu- ßerst arbeitsintensiv. Zudem stellt sich in diesem Fall die Frage, ob der erzielte Effekt den benötigten Aufwand rechtfertigt. Der unternehmensindividuelle Kraftwerkseinsatz ist im Rahmen eines Fundamentalmodells nur be- dingt abzubilden. So können beispielsweise durch jeweilige Lastdeckungsbedingungen von Energiever- sorgungsunternehmen mehrere Kraftwerke in Teillast arbeiten, während die gleiche Leistung im Mo- dell durch ein auf Nennleistung arbeitendes Kraftwerk erbracht würde. In diesem Fall würden demnach mehrere Kraftwerke mit höheren variablen Erzeugungskosten am Markt agieren und so eine Abwei- chung zum tatsächlichen Kraftwerkseinsatz bzw. sich ergebenden Grenzpreis induzieren. Die Angebotserstellung von Unternehmen kann durch deren individuelle Ausgestaltung ebenfalls nicht adäquat abgebildet und nur abstrahiert wiedergegeben werden. So ist die Einpreisung und Verteilung von Anfahrkosten durch Elektrizitätshändler auf das am Markt gehandelte Kraftwerksportfolio durch eine entsprechende Nichtverfügbarkeit von Daten nicht zu gewährleisten. Gleichermaßen sind Kop- pelprozesse, wie sie beispielsweise in wärmegeführten KWK-Anlagen auftreten, nur schwierig zu be- werten, da der produzierte Strom als Nebenprodukt der Wärmeerzeugung zu geringen variablen Er- zeugungskosten ins Elektrizitätsnetz eingespeist wird. Wie bereits weiter oben erläutert, ist eine ent- sprechende Abbildung durch die teils individuelle Einbindung der Anlagen nicht angemessen abzubil- den. Andere verhaltensbezogenen Bedingungen, die ebenfalls Einfluss auf die Preisbildung an Großhandels- märkten haben, können nicht oder nur eingeschränkt in optimierenden Fundamentalmodellen erfasst werden. Diese umfassen etwaige Risikoprämien zur Absicherung gegen Schwankungen von Brennstoff- preisen, die Erwartungsbildung von Unternehmen im Hinblick auf bestimmte Preisentwicklungen auf- grund begrenzter Marktinformationen und beschränkter Rationalität, sowie die Bewertung von Op- portunitätskosten durch Möglichkeiten der Elektrizitätsvermarktung auf alternativen Märkten neben dem Spotmarkt. Die Erfassung von Knappheitspreisen innerhalb von linearen Optimierungsmodellen ist unter anderem durch die Annahme einer preisunelastischen Nachfrage problematisch. In Marktsituationen mit sehr hoher Nachfrage und stark begrenztem physischen Angebot kann unter Umständen kein Marktgleich- gewicht erreicht werden, was zur Ausbildung sogenannter Knappheitspreise führt. Bedingt durch den Preisbildungsmechanismus am Großhandelsmarkt bildet sich in diesen Situationen der Elektrizitäts- preis nicht auf der Basis der Grenzkosten des letzten zur Lastdeckung eingesetzten Kraftwerks, sondern durch die Zahlungsbereitschaft der Nachfrage aus [86]. Zudem könnte sich die Nachfrage durch große Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 175/190 Stromverbraucher zukünftig zunehmend an der Entwicklung des Börsenstrompreises ausrichten. Bei- den Umständen kann in Fundamentalmodellen nur mit geeigneten Annahmen begegnet werden, die den realen Fall aber aufgrund der zugrundeliegenden Modellcharakteristik nicht adäquat abbilden. In gemischt-ganzzahligen linearen Optimierungsmodellen können die dualen Variablen (Schatten- preise) der Lastdeckungsgleichung aufgrund der inhärenten Nicht-Stetigkeit der Binärvariablen nicht mehr als Grenzkosten des Energiesystems interpretiert werden. Dieser Umstand wurde in bestehen- den Analysen oftmals vernachlässigt, ist jedoch für eine saubere Interpretation der berechneten Preise unabdingbar. Für eine ausführliche Diskussion zur Interpretation von Preisen innerhalb von Optimie- rungsproblemen auf Basis mathematischer Analysen sei an dieser Stelle auf [93] und [94] verwiesen. Neben den aufgezeigten Herausforderungen im Bereich der Modellierung bestehen im Bereich der Modellparametrierung Schwierigkeiten hinsichtlich der Berücksichtigung aller für die Preisbildung am Elektrizitätsmarkt notwendigen Informationen. Ursächlich hierfür sind öffentliche Informationsdefizite aufgrund bestehender Betriebsgeheimnisse, die Nicht-Veröffentlichung spezifischer systemtechni- scher Betriebszustände, die jeweilige Veröffentlichungspraxis der verwendbaren Informationsquellen und im Rahmen der Modellierung zukünftiger Preise vor allem die Nichtverfügbarkeit von zukünftigen Marktinformationen. Entsprechenden Unsicherheiten in Bezug auf die zugänglichen Informationen kann beispielsweise mit Sensitivitätsanalysen oder anderen geeigneten Verfahren begegnet werden. Brennstoffpreise, Brennstofftransportkosten und sonstige variable Betriebskosten können je nach An- wendungszweck des Modells aus entsprechenden Statistiken oder Hochrechnungen bzw. Prognosen entnommen werden. Während für historische Rechnungen auf eine gute Datenbasis zurückgegriffen werden kann, werden Preise für zukünftige Szenarien üblicherweise durch die Sichtung und den Ver- gleich entsprechender Studien ermittelt. Dabei ergibt sich das oben genannte Problem der Unsicher- heitsbehaftung durch die jeweils getroffenen Annahmen zur Entwicklung der zukünftigen Märkte, da diese wiederum stark abhängig von politischen Entscheidungsprozessen sind. Die Frage, ob beispiels- weise im Jahr 2025 fossile Energieträger aufgrund verstärkter Klimaschutzanstrengungen zukünftig mit hohen Steuern belegt werden, ist derzeit nicht zu beantworten. Weiterhin ist eine adäquate Quantifi- zierung der standortabhängigen Brennstofftransportkosten, wie sie beispielsweise für Steinkohlen, Erdgas und Heizöl anfallen, aufgrund der oben genannten Informationsdefizite nicht möglich. Entspre- chende Annahmen müssen daher entweder selbst getroffen oder aus bestehender Literatur ermittelt werden. Gleichermaßen verhält es sich mit sonstigen variablen Betriebskosten, die beispielsweise für Hilfs- und Betriebsstoffe sowie Personal für den Betrieb der jeweiligen Kraftwerksblöcke anfallen. Die Wirkungsgrade für Kraftwerke hängen von der jeweiligen Auslegung, dem Jahr der Inbetriebnahme bzw. des Retrofits und dem Turbinentyp ab. Zudem variieren diese innerhalb des dynamischen Be- triebs und sind abhängig von individuellen externen Größen wie etwa Kühlwasserbedingungen oder Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 176/190 Außentemperaturen. Eine umfassende Datenbank für den deutschen Kraftwerkspark mit Kraftwerken oberhalb einer elektrischen Netto-Nennleistung von 10 MW wird von der Bundesnetzagentur [95] be- reitgestellt, enthält aber keine Wirkungsgrade. Weiterhin veröffentlicht das Umweltbundesamt -eben- falls ohne Wirkungsgrade - eine Liste der deutschen Kraftwerke, die neben der elektrischen Nennleis- tung auch die thermische Leistung enthält [96]. Durch die teilweise lückenhafte und teilweise redun- dante Struktur beider Listen, gab es in jüngster Vergangenheit verschiedene Initiativen mit dem Ziel beide Listen miteinander zu verbinden und zudem durch Anwendung geeigneter Methoden den Wir- kungsgrad einzelner Kraftwerke zu bestimmen [97]. Zum derzeitigen Zeitpunkt wurden die entspre- chenden Ergebnisse jedoch noch nicht veröffentlicht. Bei den Verfügbarkeiten von Kraftwerken wird zwischen geplanten und ungeplanten Verfügbarkeiten unterschieden. Während ungeplante Verfügbarkeiten, die beispielsweise durch unerwartete Kraft- werksausfälle oder andere technische Defekte auftreten können, grundsätzlich nicht prognostizierbar sind, werden geplante Nichtverfügbarkeiten von Kraftwerken, die beispielsweise bei planmäßigen Wartungen auftreten, seit einigen Jahren auf der Transparenzplattform der EEX zur Verfügung gestellt. Zudem existieren verschiedene überschlägige Literaturannahmen und Analysen auf Basis empirischer Daten [98]. Das Auftreten von ungeplanten Nichtverfügbarkeiten kann jedoch im Rahmen der Model- lierung zukünftiger Preise nicht hinreichend berücksichtigt werden. Kraftwerksin- und Außerbetrieb- nahmen können hingegen den oben genannten Kraftwerkslisten entnommen werden. Historische und aktuelle installierte Kraftwerkskapazitäten werden in verschiedenen Statistiken in ver- schiedener Auflösung bzw. Aggregationsform veröffentlicht. Allerdings unterscheiden sich die Quellen grundsätzlich bezüglich der Güte und Aktualität und weichen in Teilen voneinander ab. So unterschei- den sich beispielsweise selbst die öffentlich zugänglichen Datensätze des Verbunds der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) zu installierten Kraftwerkskapazitäten für die Vergangenheit untereinander. Selbst eine entsprechende Aufbereitung bzw. Anpassung der Datensätze in entspre- chenden Initiativen [97] konnte dieses Problem nicht vollständig lösen. Ein konsistenter und umfas- send auf Validität geprüfter Datensatz für die historischen und geplanten installierten Kapazitäten in- nerhalb des europäischen Verbundsystems ist somit derzeit nicht verfügbar. Als länderübergreifender, konsistenter Datensatz existiert lediglich der Szenariorahmen des Ten-Year Network Development Plans der ENTSO-E, der in Szenariorechnungen verschiedene Möglichkeiten der Integration von bis zu 60 % erneuerbaren Energien in das europäische Verbundsystem, unter Berücksichtigung der Kosten- effizienz und Versorgungssicherheit, aufzeigt [97]. Dieser ist jedoch nur als Vorschlag seitens des Ver- bunds der Übertragungsnetzbetreiber zu sehen und mit eigenen Annahmen behaftet. Aufgrund des mangelnden Angebotes an konsistenten und zugänglichen Datensätzen existieren im Bereich der Mo- dellierung von Energieversorgungssystemen auch vermehrt Bestrebungen eine gemeinsame, transpa- rente Datenbasis zu schaffen [99]. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 177/190 Die Modellierung der Einspeisung regenerativer Energien stellt eine Herausforderung auf verschiede- nen Ebenen dar. Da die Handelsentscheidung an der EEX auf Grundlage von Wind- bzw. Solarenergie- prognosen getroffen wird, können diese Daten für die gemeinsame Marktregion Deutschland-Öster- reich-Luxemburg für historische Rechnungen von der EEX-Transparenzplattform bezogen werden. Die Verwendung entsprechend konsistenter Daten für die weiteren Länder des europäischen Verbundsys- tems gestaltet sich hingegen als problematisch, da hier ebenfalls auf Prognosedaten zurückgegriffen werden müsste. Weitaus schwieriger gestaltet sich die Modellierung der Einspeisung von Wind- und Solarenergie in zukünftigen Szenarien, da neben der dargebotsabhängigen volatilen Verfügbarkeit ki- netischer bzw. thermischer Energie, gleichermaßen der Ausbau des erneuerbaren Kraftwerksparks be- rücksichtigt werden muss. In jüngster Zeit wurden hier, zumindest auf nationaler Ebene, entspre- chende frei verfügbare Datensätze veröffentlicht und wissenschaftlich diskutiert [41] [42]. Die histori- sche Einspeisung der Lauf- und Speicherwasserkraftwerke wird von verschiedenen Dienstleistern, meist berechnet auf der Basis hydrologischer Zustände, angeboten [86]. Die Problematik gestaltet sich durch den volatilen Charakter des Wetters jedoch ähnlich wie bei den zuvor erläuterten Wind- und Solardaten. Zudem erhöht die nutzbare Flexibilität von Speicherkraftwerken im Hinblick auf gegebene Preissignale die Komplexität einer adäquaten Modellierung. Dennoch gibt es -zumindest für Modelle auf Basis historischer Daten- vermehrt Anstrengungen diese Komplexität im Rahmen der Modellierung zu berücksichtigen. Die möglichst konsistente Gegenüberstellung von Elektrizitätserzeugung und -nachfrage erfordert eine adäquate Abbildung der Last. Öffentlich zugängliche Lastdaten unterscheiden sich durch ihre zeitliche und örtliche Auflösung. Allgemein kann zwischen unterschiedlichen Lasttypen wie der Regelzonenlast, der vertikalen Netzlast oder dem Verbrauch unterschieden werden. Daten zur Elektrizitätsnachfrage im synchronisierten ENTSO-E (vormals UCTE) Netz werden seit 2006 in stündlicher Auflösung veröf- fentlicht. Die Last des ENTSO-E-Datensatzes wird in Form der aggregierten Regelzonenlast durch die vier ÜNB durch den Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft übertragen [100] und wird so- mit durch die Lastgüte der Regelzonenlast der ÜNB definiert. Die Regelzonenlast ist wiederum definiert als „[...] Leistung aller an das Versorgungsnetz (Übertragungsnetz und Verteilnetz) angeschlossenen Kunden als auch die in den Versorgungsnetzen entstehenden Verluste. Nicht enthalten sind der elekt- rische Eigenbedarf konventioneller Kraftwerke sowie die Pumpleistung der Pumpspeicherkraftwerke. [...]“ [101] und wird durch die Übertragungsnetzbetreiber rechnerisch mithilfe einer Leistungsbilanz ermittelt. Dabei ist die Vorgehensweise bei der Berechnung durch die ÜNB individuell [102]. Die verti- kale Netzlast ist hingegen als „[...] vorzeichenrichtige Summe aller Übergaben aus dem Übertragungs- netz über direkt angeschlossene Transformatoren und Leitungen zu Verteilungsnetzen und Endver- brauchern“ [101] definiert und wird messtechnisch ermittelt. Demnach sind bei hoher Stromeinspei- sung innerhalb von Verteilnetzen auch negative Lasten möglich, so dass die vertikale Netzlast dadurch stark beeinflusst wird. Daher ist die alleinige Modellierung zukünftiger Lastentwicklungen auf Basis der Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 178/190 vertikalen Netzlast, ohne Berücksichtigung der Verteilnetze, derzeit nicht zielführend [100]. Eine exakte Bestimmung des tatsächlichen Endverbrauchs an Elektrizität für die Verwendung im Rahmen der Modellierung ist folglich nicht möglich, so dass diese Größe immer mit Unsicherheiten behaftet ist. Für weiterführende Analysen hinsichtlich der Güte von Lastdaten bzw. verschiedenen Ansätzen zur Erstellung geeigneter Lastdaten sei an dieser Stelle auf [103] bzw. [102] verwiesen. Die Modellierung von Außenhandelssalden beeinflusst die Marktpreisbildung maßgeblich, da etwaige Energieflüsse aus bzw. in Nachbarregionen in der Regel abweichende Grenzkosten aufweisen. Für die Modellierung von Marktpreisen sind nicht die tatsächlichen (physikalischen) Energiemengen, die über die Bilanzgrenzen ausgetauscht werden, relevant, sondern die finalen Fahrpläne für den Außenhandel [86]. Die Übertragungsnetzbetreiber der ENTSO-E sind zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit angehalten ihre Grenzübertragungskapazitäten zu anderen Netzregionen zu ermitteln und zu veröf- fentlichen. Dabei sind die Net Transfer Capacities (NTCs) definiert als die maximale gemeldete Austau- schleistung zwischen zwei Netzregionen unter Berücksichtigung des gemeinsamen Netzwerk-Codes und etwaiger zukünftiger Unsicherheiten [104]. Die NTCs der europäischen Länder wurden von der ENTSO-E für das Jahr 2010 in Form einer NTC-Matrix veröffentlicht, die unter anderem in [105] ver- wendet und diskutiert wurde. Eine aktualisierte Version liegt derzeit noch nicht vor, so dass aktuelle Austauschkapazitäten, durch den veralteten Datensatz, im Rahmen der Modellierung nicht hinrei- chend abgebildet werden können. Für zukünftige Austauschkapazitäten existieren lediglich Werte aus der Szenariodefinition von ENTSO-E-Rechnungen für das Jahr 2030. Auf diese kann im Rahmen der Modellierung zurückgegriffen werden. Die Vorhaltung von Reserveleistung innerhalb der deutschen Marktregion wird seitens der Übertra- gungsnetzbetreiber auf einer gemeinsamen Internetplattform veröffentlicht [38]. Aus dieser Leistung, die sich wiederum in Primär-, Sekundär- und Tertiärregelleistung aufteilt, kann jedoch nicht ohne ge- eignete Annahmen auf deren Verteilung auf einzelne Kraftwerksblöcke oder Energieträger geschlossen werden. Das Treffen geeigneter Annahmen über die zukünftige Vorhaltung von Regelleistung, gestal- tet sich als weitaus schwieriger. Während derzeit noch ein Großteil der Regelleistung durch thermische Kraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke erbracht wird, könnte sich der Markt durch ebenfalls geeig- nete Technologien wie beispielsweise Windkraftanlagen oder intelligente Verbraucher grundlegend ändern. Zudem müsste der zunehmende Ausbau des europäischen Verbundnetzes berücksichtigt wer- den, da etwaige Ausgleichseffekte durch die geographische Verteilung (erneuerbarer) Kraftwerke ebenfalls Einfluss auf die Dimensionierung der Reserveleistung haben könnte. Eine exakte Abbildung des Regelleistungsmarktes ist daher im Rahmen der Modellierung nicht möglich. Mit der Einführung des europäischen Handelsrahmens für Emissionsrechte (EU ETS) und deren Handel an der Leipziger Strombörse wurde ein Marktpreis für eine Tonne Kohlenstoffdioxid geschaffen. Da die thermische Umwandlung fossiler Primärenergieträger innerhalb von Kraftwerksprozessen stets mit Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 179/190 Emissionen einhergeht, müssen für den Betrieb der Kraftwerke entsprechende Emissionszertifikate vorgehalten werden. Während für historische Rechnungen auf die Handelspreise für European Emis- sion Allowances (EUA) der EEX zurückgegriffen werden kann, können für zukünftige Entwicklungen der Zertifikatspreise nur geeignete Annahmen getroffen bzw. Prognosen verwendet werden. Letztere sind jedoch stets mit großen Unsicherheiten behaftet, da sie, vor allem durch politische Prozesse, multifa- ktoriell beeinflusst werden. So konnte beispielsweise der Preisverfall für Zertifikate von fast 30€/tCO2 im Jahr 2008 auf weniger als 5€/tCO2 im Jahr 2013 und die damit verbundene „Renaissance“ emissi- onsintensiver thermischer Kraftwerke selbst ex-post nicht hinreichend erklärt werden [106]. Demnach können zukünftige Zertifikatspreise im Rahmen der Modellierung nicht hinreichend genau abgebildet werden. Auswahl und Einordnung des Szenariorahmens Zusätzlich zu den Herausforderungen im Bereich der Modellierung und Parametrierung im Hinblick auf die Marktpreismodellierung besteht für die Abbildung des zukünftigen, länderübergreifenden Kraft- werkseinsatzes die Herausforderung der Verwendung eines konsistenten Szenariorahmens. Für die Fortschreibung bzw. zukünftige Entwicklung des Kraftwerksparks einzelner Länder müssten dafür um- fangreiche Literaturrecherchen durchgeführt werden, um die - ihrerseits wiederum teilweise politisch unbeständigen- nationalen Ausbaupläne zu erfassen und abzubilden. Zudem bestehen starke Wech- selwirkungen zwischen der strukturellen Entwicklung der installierten Kapazitäten einzelner Länder und den Austauschkapazitäten zwischen den einzelnen nationalen Energiesystemen. Demnach kann die Entwicklung möglicher nationaler Ausbauszenarien nur unter Einbezug der Entwicklung der zukünf- tigen Netzinfrastruktur erfolgen. Im Folgenden wird daher zunächst die Auswahl eines geeigneten Sze- nariorahmens begründet. Anschließend werden die wesentlichen Annahmen beschrieben und disku- tiert. Die integrierte, techno-ökonomische Bewertung einzelner Technologien in zukünftigen Energieversor- gungssystemen setzt die Bildung geeigneter, realistischer Annahmen für deren Entwicklung voraus. Während Fragestellungen, wie beispielsweise die kostenoptimale Integration von Speichertechnolo- gien für 100 % erneuerbaren Energiesysteme im Jahr 2050, „auf der grünen Wiese“ untersucht werden können, stellt sich innerhalb dieses Projektes vielmehr die Frage, welche möglichen konsistenten Ent- wicklungen einzelne europäische Energieversorgungssysteme in naher und ferner Zukunft nehmen und welchen Einfluss dies auf die Marktpreisbildung in Deutschland hat. Daher wurden im Rahmen der Szenarienbildung weitestgehend der länderübergreifende 10-Jahres-Netzentwicklungsplan des ENTSO-E aus dem Jahr 2014 sowie die daraus abgeleiteten Szenarien der einheitlichen Versorgungssi- cherheitsprognose (Scenario Outlook (SO) & Adequacy Forecast (AF)) verwendet [31]. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 180/190 Der 10-Jahres-Netzentwicklungsplan (Ten-year network development plan, TYNDP) des ENTSO-E zeigt in zweijährigen Abständen, unter Berücksichtigung geplanter Investitionsvorhaben im Energiesektor, auf, welcher Weg zur Integration von bis zu 60 % erneuerbaren Energien im Jahr 2030 zu akzeptablen Kosten unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit seitens der europäischen Übertragungsnetz- betreiber vorgeschlagen wird [31]. Ein Plan besteht jeweils aus mehreren Dokumenten und wird über zwei Jahre in Abstimmung mit verschiedenen Institutionen und den relevanten Akteuren entwickelt. Zudem kann die Öffentlichkeit vor der Finalisierung der jeweiligen Version, innerhalb eines definierten Zeitfensters ca. zwei Monaten, ihre Vorschläge in den Plan mit einbringen. Der gesamte Datensatz besteht aus dem Gesamtbericht einschließlich der Kommentare des Review-Prozesses, einzelnen regi- onalen Investmentplänen, Szenarien der Versorgungssicherheitsprognose (SO & AF) für das Jahr 2014 und 2025 sowie aufgezeigten möglichen Entwicklungspfaden (Visionen) des europäischen Energiesys- tems bis in das Jahr 2030. Das Jahr 2030 stellt hierbei ein Brückenjahr zwischen den vereinbarten EU- Zielen im Energiebereich für die Jahre 2020 und 2050 dar, das in Abhängigkeit politischer, ökonomi- scher und technischer Entwicklungen verschiedene Ausprägungen annehmen kann. Abbildung 67 stellt politische und ökonomische Entwicklungspfade innerhalb der ENTSO-E Szenarien dar. Es wird deutlich, dass im dritten Szenario von guten Investitionsbedingungen im Energiesektor und verstärkten nationalen Anstrengungen zur Dekarbonisierung ausgegangen wird, um die EU-Ziele für das Jahr 2050 planmäßig zu erreichen. Auf technischer Seite wird eine steigende Elektrizitätsnachfrage, eine Vernetzung des Strom- und Verkehrssektors durch E-Mobilität, eine moderate Ausprägung von Abbildung 67: Politische und ökonomische Entwicklungspfade innerhalb der ENTSO-E Szenarien (ENTSO-E, 2014) Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 181/190 Demand-Side-Management und Smart-Grids sowie keine Durchsetzung der CCS-Technologie (CO2-Ab- scheidung- und Speicherung) angenommen. Die Verwendung der TYNDP-Szenarien geht mit Vor- und Nachteilen einher. Die Vorteile liegen in einer transparenten, länderübergreifenden, dokumentierten Modellparametrierung unter Einbezug aus- führlicher Analysen hinsichtlich der politischen, ökonomischen und technischen Entwicklungen in na- her (2025) und ferner (2035) Zukunft. Zudem werden die derzeitigen EU-Ziele für die Konversion des Energiesektors im Rahmen der Modellierung berücksichtigt. Weiterhin kann durch das Vorliegen von historischen Daten für das Jahr 2014 eine Modellvalidierung gegen historische Spotmarktpreise und Einsatzzeiten erfolgen. Als Nachteil kann die Behaftung der Szenarien durch getroffene Annahmen ge- nannt werden. Diese stellen jedoch ein grundsätzliches Problem bei der Szenariodefinition dar. Zudem orientiert sich die Technologieentwicklung innerhalb der Szenarien an derzeitigen Strukturen. So wird ein Großteil der Kraftwerksleistung innerhalb der Energieszenarien auch zukünftig noch von fossilen Kraftwerken gestellt und Flexibilität durch Speicherwasser- und Pumpspeicherkraftwerke erbracht. Andere Speichertechnologien wie etwa Druckluftspeicherkraftwerke, Redox-Flow-Batterien oder de- zentrale, intelligent verwaltete Batteriespeichertechnologien werden hingegen nicht berücksichtigt. Abgleich von Modell- und Realdaten Eine nähere Analyse des Kraftwerkseinsatzes hinsichtlich der realisierten Leistungsbereiche einzelner Technologien wurde auf Basis von hierfür erstellten geordneten Jahresdauerlinien durchgeführt. Diese geben die absteigend geordnete realisierte Leistung einzelner Technologien wieder und erlauben so- mit eine Aussage über die Dauer der Auslastung einer bestimmten Technologie in einem bestimmten Leistungsbereich. Abbildung 68: Geordnete Jahresdauerlinien einzelner Technologien in der gemein- samen Marktregion DE/AT/LU für das Modelljahr 2014 zeigt die geordneten Jahresdauerlinien für das Modelljahr 2014. Es zeigt sich, dass die in Bezug auf die Grenzkosten günstigen Technologien einer dauerhaft hohen Auslastung unterliegen. So zeigt sich etwa bei der Kernenergie, dass stets ein Grundlastanteil von ca. 8 GW mobilisiert wird und die Leistung zu keinem Zeitpunkt des Jahres unter diesen Wert fällt. Zudem ist die realisierte Leistung nahezu konstant, d. h. die entsprechenden Kraftwerke fahren bis auf wenige Stunden des Jahres permanent auf Nennleistung. Analog wird die verfügbare Leistung der Braunkoh- lekraftwerke in über ca. 7.000 Stunden des Jahres, bis auf wenige Stunden in Teillast zu Zeiten geringer Stromnachfrage bzw. hoher erneuerbarer Einspeisung, abgerufen. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 182/190 Bei näherer Betrachtung von Steinkohle- und Gaskraftwerken ergibt sich hingegen ein anderes Bild. So weist die durch Steinkohle realisierte Leistung ein deutliches Treppenprofil auf, das die unterschiedli- che Mobilisierung der zuvor beschriebenen Leistungsblöcke pro Energieträger wiedergibt. Die deutli- che Ausprägung dieser Stufung legt die Vermutung nahe, dass die Steinkohle im Modell häufig den Marktpreis setzt. Im Vergleich mit den selten eingesetzten Leistungsblöcken entsprechender Gaskraft- werke wird deutlich, dass die Steinkohle im Modell die Rolle von Gaskraftwerken als Spitzenlasttech- nologie übernimmt. Diese Aussage deckt sich mit der, trotz sinkender Ressourcenpreise, abnehmen- den Auslastung von Gaskraftwerken in den vergangenen Jahren, welche vor allem auf die zunehmende Durchdringung des Marktes durch erneuerbare Energien zurückzuführen ist. Überdies zeigt sich, dass Kraftwerke mit höheren Grenzkosten als Gaskraftwerke im Rahmen der Modellierung nicht zum Ein- satz kommen. Dieser Umstand ist auf die vereinfachte, lediglich grenzkostenbasierte Modellierung zu- rückzuführen. So werden beispielsweise Must-Run-Restriktionen für wärmegeführte KWK-Anlagen o- der realisierbare Gradienten einzelner Kraftwerke nicht näher beachtet. Dies stellt somit eine Unge- nauigkeit im Rahmen der Modellierung dar, die zwar im Rahmen der durchgeführten Sensitivitätsana- lyse mitbetrachtet wird, aber dennoch bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden muss. Abbildung 68: Geordnete Jahresdauerlinien einzelner Technologien in der gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU für das Modelljahr 2014 Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 183/190 Weiterhin zeigt sich bei näherer Betrachtung der erneuerbaren Energien, dass die Auslastung, bei- spielsweise für die realisierte Windkraft- oder Photovoltaikleistung, erwartungsgemäß in kleinen Ab- stufungen ausprägt. Zudem wird deutlich, dass Pumpspeicherkraftwerke einen höheren Beitrag zur Deckung der Netzlast als Gaskraftwerke leisten. Überdies ist zu erkennen, dass die aggregierten Im- port- und Exportkapazitäten einer hohen Auslastung unterliegen und in Summe mehr Strom importiert als exportiert wird. Dieser Umstand wird in weiteren Analysen näher betrachtet. Abschließend wurde zur Einordnung der produzierten Ergebnisse die jährliche Energieproduktion ein- zelner Technologien mit statistischen Daten des ENTSO-E verglichen. Hierbei sei auf Probleme hinsicht- lich verfügbarer und vor allem vergleichbarer Daten verwiesen, da oftmals selbst Datensätze aus der gleichen Datenquelle durch die Art der statistischen Erhebung deutliche Unterschiede aufweisen. So hat beispielsweise ein Vergleich von Daten zur Stromerzeugung durch verschiedene Energieträger in Deutschland des Verbundes der europäischen Übertragungsnetzbetreiber mit veröffentlichten Daten des deutschen Ministeriums für Wirtschaft und Energie [107] erhebliche Abweichungen aufgezeigt. Demnach ist die Vergleichbarkeit von Modell- und Realdaten nur begrenzt aussagekräftig. Dennoch ist ein Vergleich im Rahmen einer ausführlichen Modellvalidierung unabdingbar. Abbildung 69 zeigt die durch das Modell berechnete und die tatsächliche Stromerzeugung für das Jahr 2014. Dabei werden der modellierten gemeinsamen Marktregion DE/AT/LU die einzelnen Länder gegenübergestellt und somit zusätzlich ein Überblick über die jeweiligen Verhältnisse der einzelnen Länder geschaffen. Abbildung 69: Modellierte Stromerzeugung für die gemeinsame Marktregion DE/AT/LU und reale Stromer- zeugung der einzelnen Länder im Jahr 2014 (ENTSO-E, 2016) Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 184/190 Es wird deutlich, dass der Einsatz der thermischen Kraftwerke größtenteils realitätsnah abgebildet wird. So wird beispielsweise die Stromerzeugung durch Kernenergie, Braunkohle, Biomasse, Wind und Solarenergie relativ genau getroffen. Die Erzeugung aus Lauf- und Speicherwasserkraftwerken wird hingegen im Modell überschätzt. Dies kann auf verschiedene Ursachen zurückgehen, deren einzelner Einfluss jedoch nicht genau quantifiziert werden kann. Zum einen ergibt ein Vergleich der tatsächlichen historischen Produktionswerte von 2012 bis 2014 untereinander, allein für Deutschland, eine Abwei- chung von bis zu 17 % [107]. Zum anderen wird die Leistung aus Lauf- und Speicherwasserkraftwerken als konstant angenommen und somit nicht der individuelle, jährlich schwankende Abfluss einzelner Flüsse berücksichtigt. Überdies stellt die durch entsprechende Literaturwerte [98] ebenfalls als kon- stant angenommene Verfügbarkeit eine starke Vereinfachung dar. Da entsprechende Literaturwerte ihrerseits durch entsprechende Studien bzw. Erhebungen ermittelt wurden, wird an dieser Stelle je- doch an den Annahmen festgehalten, anstatt die für 2014 passende durchschnittliche Kraftwerksver- fügbarkeit, beispielsweise auf Basis der veröffentlichten realen Stromproduktion, zu ermitteln. Zudem zeigt sich die bereits erläuterte Ungenauigkeit im Einsatz von Gaskraftwerken und Kraftwerken höherer Grenzkosten. So kommen Gaskraftwerke und teurere fossile Kraftwerke im Rahmen der Mo- dellierung nur begrenzt bzw. überhaupt nicht zum Einsatz. Dieser Umstand wird zudem von der Über- schätzung der Produktion aus Lauf- und Speicherkraftwerken im Modell unterstützt. Die Modellierung eines überschätzten Leistungsbandes aus Wasserkraft induziert eine Senkung der zu deckenden Resi- duallast und folglich eine „Verflachung“ der Merit-Order in der jeweiligen Stunde. Demnach kommt möglicherweise ein ölbefeuertes Spitzenlastkraftwerk nicht mehr zum Einsatz, da die Nachfrage be- reits durch Wasserkraftwerke gedeckt wurde. Insgesamt konnte somit die Abbildung der wesentlichen technischen und ökonomischen Zusammen- hänge und des daraus resultierenden Kraftwerkseinsatzes trotz einiger, teilweise unvermeidbarer Un- genauigkeiten im Bereich der Modellierung und Datenerhebung, nachgewiesen werden. Zur Validierung der Preisbildung wurde im ersten Schritt die Korrelation der Modell- und Realpreise überprüft, die einen Korrelationskoeffizienten (nach Pearson) von 0.768 aufweist. Abbildung 70 zeigt die Streuung der Realpreise über den modellierten Preisen und ein Regressionspolynom dritter Ord- nung. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 185/190 Es ist zu erkennen, dass sich innerhalb des Fundamentalmodells keine negativen Preise, welche in der Realität beispielsweise in den Mittagsstunden in Zeiten hoher solarer Einstrahlung auftreten, ausbil- den. Für die Deckung einer negativen Residuallast, die immer dann auftritt, wenn die Einspeisung er- neuerbarer Energien die Stromnachfrage übersteigt, wird im Rahmen der Modellierung eine Variable definiert, welche die überschüssige Energie zu einem Preis von Null aufnimmt, sofern diese nicht in entsprechende Austauschkapazitäten in Nachbarregionen übertragen werden kann. Grundsätzlich be- stünde hier die Möglichkeit einer negativen Einpreisung, um negative Strompreise abzubilden. Die Höhe der Einpreisung wäre jedoch mit entsprechenden Annahmen behaftet, da, wie bereits im Ab- schnitt „Herausforderungen“ beschrieben, in Abhängigkeit der jeweiligen Marktsituation zeitweise un- terschiedlich hohe negative Deckungsbeiträge verschiedener Kraftwerke akzeptiert werden. Entspre- chende Annahmen für zukünftige Marktsituationen zu treffen bedarf zudem tieferer Analysen. Zudem bilden sich, wie der Abbildung entnommen werden kann, negative Strompreise, zumindest im Jahr 2014, relativ selten aus. Demnach wurde auf die Berücksichtigung negativer Preise verzichtet. Bei näherer Betrachtung der positiven Preise stellt sich heraus, dass diese im unteren Preissegment der Modellpreise (bis etwa 30 €/MWh) den Realpreis tendenziell übertreffen, während im darüber liegenden Segment eine relativ gute Näherung erzielt wird. Zudem ist ersichtlich, dass der Großteil der beobachteten Preise sich im Segment zwischen ca. 20 €/MWh und 40 €/MWh ausbildet. Preisspitzen Abbildung 70: Streudiagramm der Real- und Modellpreise für das Jahr 2014 mit Regressionspolynom dritter Ordnung Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 186/190 sind zwar häufiger als negative Preise zu beobachten, prägen sich jedoch mit zunehmendem Preis im- mer seltener aus. Die bereits im Streudiagramm beobachtete Ausbildung von Preisen in den verschiedenen Segmenten wurde zudem im zeitlichen Verlauf betrachtet. Hierbei bestätigten sich die bereits zuvor diskutierten Implikationen im Rahmen der Modellbildung. Abbildung 71 zeigt den Verlauf der realen und model- lierten Preise einer beispielhaften Woche im Juni 2014. Abbildung 71: Real- und Modellpreise im März 2014 Der Verlauf zeigt die Unterschätzung der Realpreise im Falle hoher und deren Überschätzung im Falle einer niedrigen Residuallast. Zudem prägen sich deutliche „Tableaus“, also über Stunden konstante Preise, um die lokalen Maxima und Minima aus. Diese sind in ihrer Höhe und Dauer durch die - zur Verringerung des Rechenaufwandes - im Rahmen der Fundamentalmodellierung verhältnismäßig groß gewählte Abstufung der Leistungsblöcke pro Energieträger zurückzuführen. So kann sich beispiels- weise ein Tableau über eine Dauer von 5 Stunden ausbilden, wenn die Residuallast innerhalb dieser Zeitspanne den Leistungsbereich (beispielsweise 10 GW) nicht verlässt, obwohl sich in der Realität durch die reale, blockscharfe Kraftwerksauflösung eine feine Abstufung entwickeln würde. Dennoch zeigt sich, dass auftretende Schwankungen durch das Modell abgebildet werden und die Preise im Mittel sehr gut korrelieren. Berichtreihe. Nr. Autoren Datum Forschungsergebnisse 5 Boysen.; Grotlüschen.; Großer.; Kaldemeyer; Tuschy 26.01.2018 Titel Druckluftspeicherkraftwerk Schleswig-Holstein Seite 187/190 Ergänzende Abbildungen Abbildung 72: Ausschnitt der berücksichtigten mittelfristigen (
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