Integration einer Stromerzeugung aus Windenergie und Speichersystemen unter besonderer Berücksichtigung von Druckluft-Speicherkraftwerken

Abstract

Die Stromerzeugung aus Windenergie hat in den vergangenen Jahren, insbesondere unterstützt durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), stark zugenommen und belief sich im Jahr 2006 auf einen Anteil von rund 4,8 % an der Bruttostromerzeugung. Aufgrund des fluktuierenden Charakters der Windstromerzeugung ist die Integration und Einspeisung dieses Anteils in das Netz der öffentlichen Versorgung bereits heute mit teilweise erheblichen Problemen verbunden. Diese werden sich in Zukunft weiter verstärken, wenn der geplante Einstieg in die Offshore-Windenergienutzung wie geplant stattfindet und in den kommenden Jahren einige GW Leistung Offshore installiert werden. Grundsätzlich bieten sich zwei Lösungsansätze für die angesprochene Problematik an, die sich gegenseitig ergänzen: Zum einen können durch exaktere Prognoseverfahren die zu erwartenden Windstrommengen besser vorhergesagt und damit zugleich die Fahrpläne der konventionellen (Schatten-)Kraftwerke genauer erstellt werden. Der Bedarf an Ausgleichsenergie wird durch dieses Verfahren minimiert. Im Fall von Windflauten muss jedoch die gesamte nachgefragte Leistung durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt werden. Zum anderen kann durch den Einsatz von Speicherkraftwerken eine zeitliche Entkopplung von Energieangebot und –bedarf realisiert werden, indem in Zeiten hohen Windenergieangebots ein Teil des Windstroms zwischengespeichert wird und umgekehrt in Windflauten das Speicherkraftwerk die Strombereitstellung übernimmt. Mit Hilfe dieses Verfahrens erfolgt dementsprechend eine Anpassung des Angebots an die Nachfrage. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den zweiten Ansatz und entwickelt ein Simulationsmodell, mit dessen Hilfe ein Windpark-Speicher-System abgebildet und eine Vergleichmäßigung des Windstroms durch Integration verschiedener Speichertechnologen (diabates/adiabates Druckluft-Speicherkraftwerk, Pumpspeicherkraftwerk) simuliert wird. Ziel der Vergleichmäßigung ist die kontinuierliche Bereitstellung einer garantierten Leistung. Die verbleibenden Fluktuationen werden durch einen Abgleich mit der Nachfrageseite in Form der Netzlast berücksichtigt. Für unterschiedliche Systemvarianten werden sowohl die Stromgestehungskosten als auch die spezifischen CO2-Emissionen berechnet, um auf dieser Basis einen Vergleich der einzelnen Systeme zu ermöglichen. Grundlegende Parameter wie beispielsweise die energetische Speicherkapazität, die spezifischen Investitionskosten der Windenergieanlagen und des Speicherkraftwerks oder auch die Bezugskosten für Ausgleichsenergie werden anschließend in Form von Sensitivitätsanalysen und Parametervariation detailliert untersucht. Auf diese Weise können die unter konstant gesetzten Parametern gewonnenen Ergebnisse bestätigt bzw. kritisch hinterfragt werden, wobei insbesondere der Einfluss der verschiedenen Eingangsgrößen auf die Stromgestehungskosten im Detail analysiert wird. In der Folge werden vielversprechende Systemkonfigurationen unter dem Zielkriterium möglichst geringer Stromgestehungskosten identifiziert. Zudem wird geprüft, welche Anforderungen an die Kostenentwicklung speziell von Druckluft-Speicherkraftwerken zu stellen sind, um mit einem konventionellen Vergleichssystem konkurrenzfähig zu werden.

Power generation from wind energy has increased significantly in the past years reaching 4.8 % of the gross power generation. This development was especially promoted by the re-newable energy law (Erneuerbares-Energien-Gesetz). The integration and feed-in of this power into the grid is associated with considerable problems as the wind power generation is characterised by its fluctuating nature. These diffi-culties will grow and accelerate if the planned wind parks in the North or Baltic Sea with some GW power are realised in the following years. In principle there are two methods of resolution for this kind of problem which com-plement one another: On the one hand it’s possible to develop better forecasting models in order to forecast the wind power generation more accurately. By this means also the operation of the conventional power plants can be planned more accurately. In the consequence the de-mand for balancing power is minimized. Nevertheless it’s inevitable to provide the total sum of demanded power in times of wind calms by conventional power plants. Concerning the second method the operation of storage facilities is involved in the system in order to realise a temporal decoupling of energy supply and demand. In times with high wind power generation the storage unit is filled and vice versa in wind calms the storage facility is able to provide power. Thus the supply side is adapted to the demand side. The following thesis focuses on the second method. A tool is developed, simulating the operation of a windpark-storage system, in order to equalise the wind power generation by the help of different storage technologies (diabatic/adiabatic compressed air energy storage, pumped hydro). The equalisation aims at the continuous supply of a guaranteed power. Re-maining fluctuations of wind power are considered by a comparison of demand and supply side, whereas the demand side is represented by the system load. The costs of generating electricity as well as the specific CO2-emissions are calculated for different configurations resulting in a comparison of the different systems. Following fun-damental parameters as the energy storage capacity, the specific investment costs of the wind power plants and the storage facility or the price of balancing power are examined in detail by the help of a sensitivity analysis. In so doing it is possible to confirm or to question the results calculated with fixed parameters. In this context especially the influence of different parame-ters on the costs of generating electricity is analysed. Finally promising system configurations with the aim of reducing the costs of generat-ing electricity are identified. Moreover the requirements concerning the reduction of invest-ment costs especially of compressed air energy storage systems in order to achieve competi-tiveness with a conventional system are examined.