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Analyse langfristiger Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes und deren Rolle im

zukünftigen Energiesystem

Modellkopplung und Szenario-Entwicklung des europäischen Kraftwerksparks

Karl-Kiên Cao

STRise Doktorandenseminar Stuttgart, 31.01.2017

Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao

Agenda

Motivation

• Schematische Modellkopplung • Szenarien • Energiesystemmodell→Übertragungsnetzmodell • Bestimmung von Verteilfaktoren

Methodik

• Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten • Erste Ergebnisse

Definition des Kraftwerksparks im Szenario

Ausblick

DLR.de • Folie 2

Motivation

Netzausbauszenarien

Kleine „Geschichte“ der Methode zur Erstellung von Energieszenarien

Methodischer Schwerpunkt

Vollständiges und konsistentes Energiemengengerüst

Räumliche aufgelöste EE-Potentialanalysen und Optimierungsmodell

Berücksichtigung von Sektorkopplung, Speichern und Netzen

Räumliche Auflösung

Deutschland Europäische Staaten Europäische und deutsche Regionen

Zeitliche Auflösung

Jährlich Stündlich Stündlich

Beispiel-projekt

„Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland“ , 2004

„Möglichkeiten und Grenzen der Integration verschiedener regenerativer Energiequellen zu einer 100% regenerativen Stromversorgung der Bundesrepublik Deutschland bis zum Jahr 2050“, 2010

„Möglichkeiten und Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung“, 2014

Langfristszenarien zur Nutzung von

EE

100% EE mittels „unterjährlicher

Validierung“

Die Rolle der Flexibilität

DLR.de • Folie 4 Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao


Beispiele der bisherigen „Netzmodellierung“ in Energieszenarien

Quellen: • Luca de Tena, Diego (2014) Large scale renewable power integration with electric vehicles : long term analysis for Germany with a renewable based power supply. Dissertation, Universtität

Stuttgart. • Scholz, Yvonne und Gils, Hans Christian und Pregger, Thomas und Heide, Dominik und Cebulla, Felix und Cao, Karl-Kiên und Hess, Denis und Borggrefe, Frieder (2014) Möglichkeiten und

Grenzen des Lastausgleichs durch Energiespeicher, verschiebbare Lasten und stromgeführte KWK bei hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung. Projektbericht • Gils, Hans Christian und Cao, Karl-Kiên und Borggrefe, Frieder und Bothor, Sebastian (2016) Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland. Projektbericht

DLR.de • Folie 5


Visualisierung eines Modells des europäischen Übertragungsnetzes

Mit Änderungen übernommen von: Wiegmans, B. (2016). GridKit: European and North-American extracts [Data set]. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.47317

DLR.de • Folie 6

Wieviel Netzausbau ist nötig?

Welchen Einfluss hat die Netzmodellierung auf die Energiesystemmodellierung?

Forschungsfragen

Wie können robuste Aussagen zum Netzausbaubedarf von Energieszenarien

ermittelt werden?

Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Chart 7

Methodik

• Optimierung (Systemkosten) Modelltyp

• Aggregiert (Regionen)


• Zeitreihe • z.B. 8760 h


• Wirkungsgrade, Kosten, techn. Restriktionen

Technologie Detaillierung

• Optimierung (Systemkosten) Modelltyp


• Zeitreihe • z.B. 8760 h


• Wirkungsgrade, Kosten, techn. Restriktionen



Typische Charakteristika Energiesystemmodell

DLR.de • Folie 9

Typische Charakteristika Übertragungsnetzmodell


• Simulation (Lastfluss) Modelltyp

• Detailliert (Knotenscharf)


• Snapshot Zeitliche Auflösung

• Einzelne Netzkomponenten


DLR.de • Chart 10

Modellierung

Output

Input


Methodik zur Bestimmung von Netzausbauszenarien

Szenario Kraftwerks

park

Szenario Energie-bedarf

Techno-ökonomische

Parameter

Netzausbau-Szenarien

• Übertragungs-kapazitäten

Optimierung • Strommarktmodell • Konkurrenz der

Flexibilitätsoptionen • Kraftwerkseinsatz • DC-Lastfluss

Netzmodell • Netzanalyse • AC-Lastfluss

DLR.de • Folie 11


Input - Szenariovarianten

Ausgangspunkt

A

AA AAA

AAB

AB ABA

ABB

B

BA BAA

BAB

BB BBA

BBB

DLR.de • Folie 12

Grundlegende Unterscheidung

„Szenario-Weichen“

Wasserstoffwirtschaft

Solarstrom-importe

Weder noch

Beides

Szenariovarianten in INTEEVER (I)


Szenariobaum

2030

2050

Wasserstoffwirtschaft & CSP-Importe

Smart Grid

Supergrid

Trend

Protest

Transportmodell

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050


Smart Grid

Supergrid

Trend

Protest

Transportmodell

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

CSP-Importe

Smart Grid

Supergrid

Trend

Protest

Transportmodell

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

Basis (ohne Wasserstoffwirtschaft

& CSP-Importe)

Smart Grid

Supergrid

Trend

Protest

Transportmodell

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2030

2050

2020

2030

2050

Supergrid

Trend

Protest

2030

2050

2030

2050

2020

ReferenzKeine LAO-

Ausbauplanung & Sektorkopplung

Netz-Szenarien

Trend

Protest

Smart Grid

Super Grid

DLR.de • Folie 13

Unterscheidung der Netz-Szenarien


Szenariovarianten in INTEEVER (II)

Szenario-variante

Umsetzung TYNDP

Netzausbauplanung 2050 Sonstiges Drehstromübert

ragungsnetz HVDC

Übertragung Dominierende

Technologie Trend vollständig (2030) Netzverstärkung Freileitungen Supergrid

vollständig (2030) Netzverstärkung

Netzerweiterung Freileitungen

Smart-Grid

teilweise (2030, 2050)

Netzverstärkung Kabel

Ausbauplanung PV, Wind Onshore

Protest teilweise (2030), vollständig (2050)

Netzverstärkung + Limitierung max. GTC

Kabel kein

Großspeicherausbau

Transportmodell

vollständig (2030)

Ausbauplanung Grenzkuppelstellen, keine

Regionalisierung innerhalb Deutschlands

Freileitungen

DLR.de • Folie 14

Kopplung: Energiesystemmodell-Übertragungsnetzmodell

Parametrierung • 1 exemplarischer Tag • TYNDP2016 • PTDF2014 (IFK) • Nur 1 „Flex-Option“ Ergebnisse: • Peak-Leistungsfluss (Liniendicke) • Drehstromnetz • HVDC

Ausbauszenarien des deutschen und europäischen Stromübertragungsnetzes > Karl-Kiên Cao DLR.de • Folie 16

Erfolgter „Soft-Link“ Übertragungsnetzmodell→Energiesystemmodell

Räumliches Mapping (I)


Energiesystemmodell Übertragungsnetzmodell

→ Fallunterscheidung nötig

Wie mappen?

Knoten in einer Subregion

Nearest neighbor(s)

Knoten zu Sub-Regionen

Sub-Regionen zu Knoten

Räumliches Mapping (II): Fallunterscheidung


Sub-Region mit vielen Knoten Sub-Region ohne Knoten

Gleichmäßige Verteilung: • 𝑃𝑃𝑛𝑛 = 𝑃𝑃𝑚𝑚 ⋅ 1

𝑁𝑁,∀𝑛𝑛 ∈ 𝑁𝑁

3-Nearest-Neighbors-Verteilung1

• 𝑃𝑃𝑛𝑛 = 𝑃𝑃𝑚𝑚 ⋅1𝑑𝑑𝑛𝑛�

∑ 1𝑑𝑑𝑛𝑛�𝑁𝑁

1,∀𝑛𝑛 ∈ 𝑁𝑁

Geographischer Mittelpunkt

Knoten n = 1…N

Sub-Region m = 1…m

dn

1 http://www.netzausbau.de/SharedDocs/Downloads/DE/2023/NEP/NEMOIII.pdf?__blob=publicationFile

Räumliches Mapping (III)


Energiesystemmodell

Übertragungsnetzmodell

0

5

10

15

Erzeugung/Last pro Region

0

5

-4

-2

0

0

2

4

Potentiale Heutiger Bestand (Verteilung) Einwohnerzahl


Spezialfall: Offshore

Definition des Kraftwerksparks im Szenario mit REMix


Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (I)

DLR.de • Folie 22

Fossile Strom-

erzeuger

Wärme-Erzeuger

Netz: DC-Load-Flow

Wärme-Speicher

H2-Erzeuger

fluk. EE-Srom-

erzeuger

Netz: Transport-

modell

Demand Response

E-Mobile

CO2-Emissio-

nen

Regelbare EE-Strom-erzeuger

Strom-Speicher

H2-Speicher

Strom-Bedarf

H2-Bedarf Wärme-Bedarf


Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (I)

DLR.de • Folie 23

Fossile Strom-

erzeuger

Wärme-Erzeuger

Netz: DC-Load-Flow

Wärme-Speicher

H2-Erzeuger

fluk. EE-Srom-

erzeuger

Netz: Transport-

modell

Demand Response

E-Mobile

CO2-Emissio-

nen


Strom-Speicher

H2-Speicher

Min. „Inlands“-Erzeugung

Min. gesicherte Leistung

CO2-Ein-sparungs-

ziel

Was steht noch?

Strom-Bedarf



Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten (II)

DLR.de • Folie 24

Emissions

National limits

Global EUNA limit

Certificates

Gesicherte Leistung

100%

80%

50%

Inlands-Erzeugung

100%

80%

50% „Szenario-Weichen“


Solarstrom-importe

Weder noch

Beides


Normative Bestimmung von Stromerzeugungskapazitäten für 2050 (II)

DLR.de • Folie 25

Emissionslimit national

EUNA

Gesicherte Leistung

100%

80%

50%

Inlands-Erzeugung

100%

80%

50% „Szenario-Weichen“


Solarstrom-importe

Weder noch

Beides


Szenarien-Namen

Name Status (Rechenzeit)

Netz Inlandserzeugung & gesicherte Leistung

CO2-Limit

GridFix Optimal (2d, 12:40) TYNDP2016 >= 0% National

GridOpt Optimal (1d, 13:50) TYNDP2016+ >= 0% National

DG50-FC50 Not proven optimal TYNDP2016+ >= 50% National

DG80-FC80 Barrier limit exceeded

TYNDP2016+ >= 80% National

DG100-FC100 Rechnet seit 3d, 17h TYNDP2016+ >= 100% National

globalCO2Cap Optimal (1d, 3:53) TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika

DG100-FC100_gCO2 Non-optimal TYNDP2016+ >= 100% Europa, Nordafrika

DG50-FC50__gCO2 Optimal (1d, 05:31) TYNDP2016+ >= 50% Europa, Nordafrika

DG80-FC80__gCO2 Not proven optimal TYNDP2016+ >= 80% Europa, Nordafrika


Szenarien-Namen

Name Status (Rechenzeit)

Netz Inlandserzeugung & gesicherte Leistung

CO2-Limit

DG0-FC0_CO2Cost Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Nein

DG50-FC50_CO2Cost

Abgebrochen TYNDP2016+ >= 50% Nein

DG80-FC80_CO2Cost

Rechnet TYNDP2016+ >= 80% Nein

DG100-FC100_CO2Cost

Rechnet TYNDP2016+ >= 100% Nein

VariWaT Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika

VariMustRun Rechnet TYNDP2016+ >= 0% Europa, Nordafrika

VariFC Rechnet TYNDP2016+ Variation Europa, Nordafrika


Erste Ergebnisse (I)

DLR.de • Folie 28

0%

100%

200%

300%

400%

500%

600%

700%

800%

900%

Alba

nia

Alge

ria

Aust

ria

Belg

ium

Bosn

ia_H

erze

govi

na

Bulg

aria

Croa

tia

Czec

h_Re

publ

ic

Esto

nia

Finl

and

Fran

ce

Germ

any

Gree

ce

Hung

ary

Irela

nd

Italy

Latv

ia

Lith

uani

a

Luxe

mbo

urg

Mac

edon

ia

Mon

tene

gro

Mor

occo

Net

herla

nds

Nor

way

Pola

nd

Port

ugal

Rom

ania

Serb

ia

Slov

akia

Slov

enia

Spai

n

Swed

en

Switz

erla

nd

Tuni

sia UK

Installierte Stromerzeugungsleistung relativ zur Spitzenlast (GridOpt)

BioPower CCGT CSP GeoPower GT_NGas HydroRunOfRiver IC

Photovoltaic ST_Coal ST_Lignite ST_Nuclear WindOffshore WindOnshore Last


Spitzenlast

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Spitzenlast [GW]


Erste Ergebnisse (II)

-50%

50%

150%

250%

350%

450%

550%

650%

750%

GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt GridFix GridOpt

France Germany Italy Poland Spain UK

Last

WindOnshore

WindOffshore

ST_Lignite

ST_Coal

Photovoltaic

IC

HydroRunOfRiver

GT_NGas

GeoPower

CSP

CCGT

BioPower

• Auswertung weiterer Szenarien

• + 6 Wetterjahre / 8 Lastjahre

• Bestimmung technologiespezifischer Verteilschlüssel

• Gegenüberstellung Kraftwerkspark mit e-Highway2050-Szenarien


Ausblick

Technologie Skalierungsfaktor (nutzbar) Skalierungsfaktor (Wunsch)

Wind Onshore, Wind Offshore, CSP, PV

Potentialanalysen (EnDAT) 50% heutige regionale Verteilung, 50% Potentiale

Biomasse Potentiale (DFD) Heutige regionale Kap.-Verteilung

Laufwasserkraft, Pumpspeicher, Speicherwasser

Grobe heutige Verteilung (altes PLATTS)

Heutige regionale Kap.-Verteilung

Stromnachfrage Einwohnerzahl Sektorspezifisch

• Analyse von Netzausbauszenarien mit: • Optimierungsmodell • Übertragungsnetzmodell (Lastflusssimulation)

• Modellkopplung

• Netzmodell→Energiesystgemmodell: „Leicht“ • Energiesystgemmodell→Netzmodell:

• Mapping • Fallunterscheidung • Verteilschlüssel

• Europäischer Kraftwerkspark


Zusammenfassung


Verteilschlüssel gesucht…

DLR.de • Folie 34

Fossile Strom-

erzeuger

Wärme-Erzeuger

Netz: DC-Load-Flow

Wärme-Speicher

H2-Erzeuger

fluk. EE-Srom-

erzeuger

Netz: Transport-

modell

Demand Response

E-Mobile

CO2-Emissio-

nen


Strom-Speicher

H2-Speicher

Strom-Bedarf


Vielen Dank!

Fragen?

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