Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und - DLR

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und - DLR

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland für das b...

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Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland für das baden-württembergische Landesministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Zusammenfassung der Methodik und Ergebnisse 5. Februar 2016 Dr. Hans Christian Gils, Karl-Kiên Cao, Frieder Borggrefe Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Technische Thermodynamik, Abt. Systemanalyse & Technikbewertung Wankelstraße 5, 70563 Stuttgart Kontakt: [email protected] Sebastian Bothor Universität Stuttgart Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Heßbrühlstr. 49a, 70565 Stuttgart

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Hintergrund der Studie ●

Geplante Weiterentwicklung des Strommarkts vor dem Hintergrund… … steigender Anteile erneuerbarer Energien (EE) an der Erzeugung … sinkender Rentabilität konventioneller Kraftwerke … zukünftiger Gewährleistung der Versorgungssicherheit



Untersuchung der zukünftigen Entwicklung der Versorgungssicherheit bei… … sinkender konventioneller Kraftwerksleistung … Beschränkung des Kapazitätszuwachses auf EE mit überwiegend fluktuierender Erzeugung … möglichen Verzögerungen beim Stromnetzausbau in Deutschland

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Rückblick: Kurzstudie Kapazitätsentwicklung in Süddeutschland1 Teil 1: Statische Leistungsbilanz 

Theoretische Betrachtung für eine Spitzenlaststunde im Jahr

Teil 2: Versorgungssicherheit im System 

Simulation des stündlichen Systembetriebs mit dem Energiesystemmodell REMix

Zentrale Annahme Studie untersucht nur die heute gesicherte Leistung: ●

Betrachtung bestehender und im Bau befindlicher Anlagen



Keine Berücksichtigung geplanter oder zusätzlicher Kraftwerke



Ausbau der Erneuerbaren entsprechend Netzentwicklungsplan

Pessimistisches Szenario (Worst Case)

Optimistisches Szenario (Best Case)

Bei der Transformation des Energiesystems kommt es zu Verzögerungen:

Die Transformation des deutschen Energiesystems kann wie geplant umgesetzt werden:



Der Netzausbau in Deutschland erfolgt verzögert.



Investitionen in Netze EE nach Plan.



Kraftwerke werden aus wirtschaftlichen Gründen vor Ablauf ihrer Lebensdauer stillgelegt.



Bestehende Kraftwerke werden bis zum Ende der Lebensdauer genutzt

1 Borggrefe,

F.; Pregger, T.; Gils, H. C.; Cao, K. K.; Deissenroth, M.; Bothor, S.; Blesl, M.; Fahl, U.; Steurer, M. & Wiesmeth, M. Kurzstudie zur Kapazitätsentwicklung in Süddeutschland bis 2025 unter Berücksichtigung der Situation in Deutschland und den europäischen Nachbarstaaten, 2014

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Rückblick: Kurzstudie Kapazitätsentwicklung in Süddeutschland Pessimistisches Szenario (Worst Case)

Optimistisches Szenario (Best Case)

Statische Leistungsbilanz Süddeutschland

Statische Leistungsbilanz Süddeutschland

Fazit ●

Ausbau fluktuierender EE reicht nicht aus, um Versorgungssicherheit in Deutschland bis 2025 zu gewährleisten



Ab 2018 (Pessimistischer Fall) jedoch spätestens ab 2022 (Optimistischer Fall) wird zusätzlicher Lastausgleich nötig



Ausbau der Stromnetze trägt signifikant zur Versorgungsicherheit bei

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Kraftwerksverfügbarkeit und Versorgungssicherheit ●

Bei der Elektrizitätsmarktmodellierung wird die verfügbare Leistung typischerweise als zeitlich konstanter Wert (z.B. 95% der installierten Leistung) vorgegeben



Annahme der konstanten Verfügbarkeit wird Realität nicht gerecht



Zeitliches Zusammenfallen von niedriger fluktuierender EE-Erzeugung, hohem Bedarf und geringer Kraftwerksverfügbarkeit kann Versorgungssicherheit beeinträchtigen



Die temporale Verfügbarkeit von Erzeugungs- und Speicheranlagen ist somit ein wesentliches Kriterium bei der Beurteilung der Versorgungssicherheit



Kraftwerksbetreiber melden seit dem Jahr 2013 geplante und ungeplante Nicht-Verfügbarkeiten an eine zentrale Datenbank bei der EEX-Transparency-Stelle



Anhand dieser Angaben lassen sich stochastische Ansätze für die Simulation zukünftig möglicher Verfügbarkeitsszenarien entwickeln

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Ziel und Struktur der Studie Ziel der Studie: Modellgestützte Untersuchung der zukünftigen Entwicklung der Versorgungssicherheit unter besonderer Berücksichtigung der zeitlichen Verfügbarkeit von Kraftwerkskapazitäten Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten 1. 2. 3.

Statistische Analyse der historischen Kraftwerksausfälle anhand von EEX-Transparency-Daten Entwicklung von stochastischen Ansätzen zur Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten Erstellen von Szenarien zur Variation der Verfügbarkeiten

Modellgestützte Analyse der Versorgungssituation im europäischen Verbundnetz 1. 2. 3.

Kostenoptimale Kraftwerkseinsatzplanung zur Lastdeckung Auslastung der Netzkapazitäten Ermittlung der resultieren Versorgungsengpässe

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Analyse der Daten zu Nichtverfügbarkeiten: Beispiel Steinkohle ●

Beispielhaft: Verlauf der Nichtverfügbarkeit von Steinkohlekraftwerken in 2013/14 in DE

Geplant

Ungeplant

● Revisionen ● Betriebsstrategie

● Techn. Defekte ● Teilweise Anfahrrampen

 Begrenzt saisonaler Verlauf  Charakteristischer Wochengang  Planbar

 Unabhängigkeit der Ereignisse  Stark unterschiedliche Dauern von Nichtverfügbarkeiten  Nicht planbar

 Vorgabe historischer Daten

 Simulation

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Analyse der Daten zu Nichtverfügbarkeiten ●



Es zeigen sich technologiespezifische Verläufe der Nichtverfügbarkeiten i.

Regelmäßige Revision

ii.

Saisonale Effekte

iii.

Wochenverläufe

iv.

Häufigkeit ungeplanter Ausfälle

Resultierende Annahmen: i.

Simulation ungeplanter Nichtverfügbarkeiten für Gas, Braunkohle, Steinkohle und Pumpspeicher

ii.

Vorgabe eines Profils geplanter und ungeplanter Nichtverfügbarkeiten für Kernkraft

iii.

Annahme zeitlich konstanter Werte für Öl- und Speicherwasserkraftwerke

Werte der minimalen, maximalen und mittleren Nichtverfügbarkeiten geplanter (links) und ungeplanter (rechts) Natur, jeweils relativ zur installierten Leistung

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Methodische Vorgehensweise: Analyse und Simulation ●

Auswertung der Dauer ungeplanter Nichtverfügbarkeiten Häufigkeitsverteilung der Nichtverfügbarkeits-Dauern  Häufigste Ereignisse kürzer als ein Tag  Seltene Häufigkeiten größer sieben Tage  Leistungsgewichtete Häufigkeiten stimmen überein  Klasseneinteilung für Simulationen anhand der Dauer: 0 ≤ Dauer < 1d | 1d ≤ Dauer < 7d | 7d ≤ Dauer < 730d



Simulation der Nichtverfügbarkeiten durch Mean-Reversion Jump-Diffusion-Ansätze i.

Es werden die Differenzen der Zeitreihen erfasst und simuliert und zu Vorgängerwert addiert

ii.

Mean-Reversion: stochastischer Prozess mit Tendenz zur Rückkehr auf einen Mittelwert

iii.

Jump-Diffusion: stochastischer Prozess mit Sprüngen auf Basis einer Poisson-Verteilung

iv.

Bestimmung der Prozess-Parameter mit Hilfe historischer Daten unter Berücksichtigung der Verteilungs-Kongruenz (historische Verteilung soll durch Simulation gut repräsentiert werden)

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Exemplarische Ergebnisse der Simulation, Beispiel Steinkohle 0 ≤ Dauer < 1d

1d ≤ Dauer < 7d

7d ≤ Dauer < 730d



Nichtverfügbarkeit ergibt sich aus Überlagerung dieser drei Profile



Für jede Technologie werden 300 verschiedene Verläufe generiert

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Methodische Vorgehensweise: modellgestützte Analyse ●

Anwendung des REMix-Energiesystemmodells des DLR



Simulation des stündlichen Einsatzes von Kraftwerken, Netzen, Speichern und Lastmanagement im Laufe eines Jahres



Abbildung von 18 Regionen in Deutschland, sowie 12 Nachbarländen



Einbindung der simulierten Kraftwerksverfügbarkeitszeitreihen



Durchführen einer Simulation für jede der 300 Kraftwerksverfügbarkeitszeitreihen



Übriger Input gemäß Vorgängerprojekt



Analyse der Versorgungssicherheit anhand verschiedener Indizes

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Methodische Vorgehensweise: bewertete Lastdeckungsindizes ●

Lastausgleichswahrscheinlichkeit: Quotient aus der Anzahl der Stunden mit gedeckter Last und der Anzahl aller betrachteten Stunden.



Lastunterdeckungshäufigkeit: Anzahl der Stunden mit Unterdeckung



Ungedeckter Bedarf: Jahressumme der nicht bereitgestellten Energie.



Lastunterdeckungshöhe: Höhe der Leistungslücke



Stündliche Lastausfallswahrscheinlichkeit: stündliche Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls Vereinfachtes Beispiel Index

Wert

Lastausgleichswahrscheinlichkeit Lastunterdeckungshäufigkeit Ungedeckter Bedarf

67 % 8h 6.8 GWh

Lastunterdeckungshöhe

2.1 GW



Werte ergeben sich aus der Auswertung der 300 Variationen, die für jedes Szenario betrachtet werden.



Hohe Anzahl von Variationen erlaubt die Berechnung aussagekräftiger Mittelwerte



Für Lastunterdeckungshäufigkeit, ungedeckten Bedarf und Lastunterdeckungshöhe werden zudem Wahrscheinlichkeitsverteilungen ermittelt

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Methodische Vorgehensweise: Definition der Szenarien Im Rahmen der verschiedenen Szenarien werden variiert: ●

Verfügbare Kraftwerksleistung (Details siehe Vorgängerstudie Borggrefe et al. 2014) i.

optimistischer Fall: langsame Reduktion konventioneller Leistung, schneller EE-Ausbau

ii.

pessimistischer Fall: beschleunigte Reduktion konventioneller Leistung, verzögerter EE-Ausbau



Szenariojahr: 2020, 2023 (siehe Anhang), 2025



Lastjahr





i.

2012: zeitliches Zusammenfallen der Spitzenlasten verschiedener Länder

ii.

2014: Last gemäß der verwendeten Daten hinsichtlich Kraftwerksverfügbarkeit

EE-Stromerzeugungsjahr i.

2006: durchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik

ii.

2009: unterdurchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik in den Wintermonaten

iii.

2010: unterdurchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik im gesamten Jahr

Verfügbarkeit von Gleichstromübertragungsleitungen in Deutschland i.

Basisfall: bis zum Jahr 2023 sind drei Trassen gemäß Netzentwicklungsplan verfügbar

ii.

Verzögerter Netzausbau: bis zum Jahr 2025 wird nur die HGÜ-Trasse in Korridor A realisiert

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Berücksichtigte Szenarien für den pessimistischen Fall ●

Kraftwerksleistung: beschleunigte Reduktion konventioneller KW, verzögerter EE-Ausbau



Szenariojahr: 2020



Lastjahr



i.

2012: zeitliches Zusammenfallen der Spitzenlasten verschiedener Länder

ii.

2014: Last gemäß der verwendeten Daten hinsichtlich Kraftwerksverfügbarkeit

EE-Stromerzeugungsjahr: unterdurchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik im gesamten Jahr (Wetterjahr 2010)

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2010 ●

Es kommt in allen Varianten zu Lastausfällen in Frankreich, Polen, Nord- und Süddeutschland



Der ungedeckte Bedarf liegt in Süddeutschl. zwischen 324 GWh und 486 GWh, im Mittel bei 386 GWh



In Norddeutschland ergeben sich Werte zwischen 222 GWh und 337 GWh, mit Mittelwert von 271 GWh

Ungedeckter Bedarf

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2010 ●

Die Lastausgleichswahrscheinlichkeit beträgt in Süddeutschland 98,0%, in Norddeutschland 95,9%



Die Ausfälle konzentrieren sich auf die zwei Regionen im Westen Deutschlands



In Deutschland treten Ausfälle vor allem im Winter, aber auch im Herbst, Frühjahr und Sommer auf

Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Nord

Süd

Stündliche Lastausfallswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2010 ●

Die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung liegt in Süddeutschland zwischen 153 und 199, im Mittel bei 177



In Norddeutschland ergeben sich zwischen 317 und 426 Stunden, bei einem Mittelwert von 359 Stunden Lastunterdeckungshäufigkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2010 ●

Die Höhe der Deckungslücke erreicht in Süddeutschland bis zu 6,9 GW und liegt im Mittel bei 2,3 GW



In Norddeutschland liegt die maximale Deckungslücke bei 3,7 GW und der Mittelwert bei 0,8 GW



In Gesamtdeutschland ergibt sich ein Maximum von 8,8 GW, der Mittelwert erreicht 1,9 GW



Deutlich größere Lücken treten in Frankreich auf Lastunterdeckungshöhe

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahre 2012 und 2014, Wetterjahr 2010 ●

Durch Verwendung des Lastjahrs 2014 sinkt der mittlere ungedeckte Bedarf in Deutschland und Frankreich deutlich, während er in Polen leicht zunimmt



Diese Veränderung spiegelt sich in der Lastausgleichswahrscheinlichkeit wider



Die Lastunterdeckungshäufigkeit liegt mit Lastjahr 2014 bei 26 h in Süd- und 161 h in Norddeutschland Ungedeckter Bedarf

Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, Lastjahre 2012 und 2014, Wetterjahr 2010 ●

Bei Verwendung des Lastjahrs 2014 fallen mittlere und maximale Deckungslücke in Süddeutschland um etwa 2/3 geringer aus als für das Lastjahr 2012 und liegen bei 0.8 GW bzw. 2.1 GW



In Norddeutschland ergibt sich kaum eine Veränderung, in Gesamtdeutschland eine Halbierung



Auch in Polen und Frankreich ergeben sich geringere Lastunterdeckungshöhen Lastunterdeckungshöhe: Mittelwerte und Maximalwerte

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020, betroffene Regionen ●

Bei Verwendung des Lastjahrs 2012 sind Netzregionen in Rheinland-Pfalz, Niedersachsen, sowie im südlichen Bayern, südlichen Nordrhein-Westfalen und südlichen Baden-Württemberg von Ausfällen betroffen (Regionen Amprion 4, Amprion 5, Amprion 6, TenneT 3, TenneT 6 und TransnetBW 2)



Wird hingegen das Lastjahr 2014 genutzt, so treten Deckungslücken nur im südlichen Nordrhein-Westfalen sowie in Rheinland-Pfalz auf (Regionen Amprion 4 und Amprion 5)



Am größten sind die Ausfälle in Region Amprion 4, wohl weil dort eine unzureichende Netzanbindung vorliegt

Eigene Darstellung auf Grundlage des Regionenmodells „Stromtransport 2013“ der deutschen ÜNB

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Berücksichtigte Szenarien für den optimistischen Fall ●

Verfügbare Kraftwerksleistung: langsame Reduktion konventioneller Leistung, schneller EE-Ausbau



Szenariojahr: 2025, 2023 (siehe Anhang),



Lastjahr





i.

2012: zeitliches Zusammenfallen der Spitzenlasten verschiedener Länder

ii.

2014: Last gemäß der verwendeten Daten hinsichtlich Kraftwerksverfügbarkeit

EE-Stromerzeugungsjahr i.

2006: durchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik

ii.

2009: unterdurchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik in den Wintermonaten

iii.

2010: unterdurchschnittliche Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik im gesamten Jahr

Verfügbarkeit von Gleichstromübertragungsleitungen in Deutschland i.

Basisfall: bis zum Jahr 2023 sind drei Trassen gemäß Netzentwicklungsplan verfügbar

ii.

Verzögerter Netzausbau: bis zum Jahr 2025 wird nur die HGÜ-Trasse in Korridor A realisiert

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Es kommt in allen Varianten zu Lastausfällen in Norddeutschland, Frankreich und Polen



In Süddeutschland kommt es nur in einer einzigen Variation zu einer Unterdeckung



In dieser liegt der ungedeckte Bedarf unter 0,1 GWh, woraus ein Mittelwert von 3 MWh resultiert



In Norddeutschland ergeben sich Werte zwischen 70 GWh und 120 GWh, mit Mittelwert von 93 GWh Ungedeckter Bedarf

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Die Lastausgleichswahrscheinlichkeit beträgt in Süddeutschland 99,9%, in Norddeutschland 99,0%



Von Ausfällen betroffen sind zwei Regionen im Westen Deutschlands



In Deutschland konzentrieren sich die Ausfälle auf die erste Februarhälfte Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Nord Süd

Stündliche Lastausfallswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung liegt in Süddeutschland bei maximal 1 Stunde



In Norddeutschland ergeben sich zwischen 78 und 96 Stunden, bei einem Mittelwert von 86 Stunden

Lastunterdeckungshäufigkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Die Höhe der Deckungslücke erreicht in Süddeutschland weniger als 0,1 GW



In Norddeutschland liegt die maximale Deckungslücke bei 2,6 GW und der Mittelwert bei 1,1 GW



Deutlich größere Lücken treten in Frankreich und Polen auf Lastunterdeckungshöhe

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahre 2012 und 2014, Wetterjahr 2006 ●

Wie im pessimistischen Fall ergeben sich bei Verwendung des Lastjahres 2014 höhere Lastausgleichswahrscheinlichkeiten als für das Lastjahr 2012



In Süddeutschland und Frankreich kommt es nur ganz vereinzelt zu Lastausfällen von unter 0,1 GWh



Der mittlere ungedeckte Bedarf sinkt auch in Norddeutschland auf Werte zwischen 1,2 und 1,9 GWh Ungedeckter Bedarf

Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahre 2012 und 2014, Wetterjahr 2006 ●

In Süddeutschland kommt es nur in einer Variation in einer Stunde zu einem Lastausfall



In Norddeutschland ergeben sich maximal 2 Stunden mit Unterdeckung



Durch die Verwendung des Lastjahrs 2014 kann die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung auch in Frankreich und Polen drastisch reduziert werden

Lastunterdeckungshäufigkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahre 2012 und 2014, Wetterjahr 2006 ●

Die Höhe der Deckungslücke erreicht in Süddeutschland maximal 0,05 GW, und im Mittel 0,03 GW



In Norddeutschland ergibt sich bei Nutzung des Lastjahrs 2014 eine geringere maximale Deckungslücke (1,9 GW), aber eine höhere mittlere Deckungslücke (1,4 GW)



Auch in Polen und Frankreich ergeben sich deutlich geringere Lücken als im Fall des Lastjahres 2012 Lastunterdeckungshöhe: Mittelwerte und Maximalwerte

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahre 2006, 2009 und 2010 ●

Der ungedeckte Bedarf steigt durch bei Verwendung einer geringeren EE-Erzeugung im Süden an und sinkt im Norden ab, wobei sich zwischen den Wetterjahren 2009 und 2010 kaum Unterschiede ergeben



Für die Wetterjahre 2009 und 2010 treten in Süddeutschland in knapp 90% der Variationen Lastausfälle auf: es ergibt sich ein mittlerer ungedeckter Bedarf von 0,3 GWh bzw. 0,2 GWh



In Norddeutschland gibt es in allen Variationen Ausfälle, bei Mittelwerten von 24 GWh bzw. 22 GWh



Die mittlere Anzahl unterdeckter Stunden liegt in Süddeutschland bei 1,2 bzw 1,5 pro Jahr Ungedeckter Bedarf

Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahre 2006, 2009 und 2010 ●

Die Verwendung der Wetterjahre 2009 und 2010 bringt einen deutlichen Anstieg der mittleren und maximalen Deckungslücken in Süddeutschland mit sich. Im Maximalfall ergeben sich 0,6 bzw. 0,5 GW



In vergleichbarem Ausmaß ist ein Rückgang der Deckungslücken in Norddeutschland zu beobachten

Lastunterdeckungshöhe: Mittelwerte und Maximalwerte

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006, verzögerter Netzausbau ●

Steht nur eine HGÜ-Leitung zur Verfügung ergeben sich höhere Defizite in Nord- und Süddeutschland



Der ungedeckte Bedarf liegt in Süddeutschl. dann zwischen 9 GWh und 18 GWh, im Mittel bei 13 GWh



In Norddeutschland ergeben sich Werte zwischen 200 GWh und 270 GWh, mit Mittelwert von 235 GWh



Die mittlere Anzahl unterdeckter Stunden steigt im Süden auf 22, in Norden auf 151 Stunden pro Jahr Ungedeckter Bedarf

Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006, verzögerter Netzausbau ●

Auch die Höhe der Deckungslücken steigt bei geringerer Übertragungskapazität



Die Höhe der Deckungslücke erreicht in Süddeutschland bis zu 1,7 GW und liegt im Mittel bei 0,6 GW



In Norddeutschland liegt die maximale Deckungslücke bei 3,3 GW und der Mittelwert bei 1,6 GW



Auch in Polen und Frankreich steigt die Höhe der Deckungslücken an Lastunterdeckungshöhe: Mittelwerte und Maximalwerte

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Optimistisches Szenario für das Jahr 2025, betroffene Regionen ●

Ausfälle in Norddeutschland treten in erster Linie im südlichen Nordrhein-Westfalen auf (Region Amprion 4)



Steht nur eine HGÜ-Trasse zur Verfügung, so ist in geringem Maße auch Niedersachsen betroffen (TenneT 3)



Wenn es in Süddeutschland Ausfälle gibt, dann in Rheinland-Pfalz (Region Amprion 5)



Wie im pessimistischen Fall sind die Ausfälle in Region Amprion 4 am größten



Eine Verzögerung des Netzausbaus wirkt sich vor allem auf die Ausnutzung des Windstroms aus. Die Zunahme der Lücken in den Regionen Amprion 4 und Amprion 5, die nicht direkt an die Leitungen angeschlossen sind, ist viel geringer als die verzögerte Übertragungskapazität

Eigene Darstellung auf Grundlage des Regionenmodells „Stromtransport 2013“ der deutschen ÜNB

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Übersicht ●

Einführung



Methodische Vorgehensweise





i.

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten

ii.

Modellgestützte Analyse der Versorgungssicherheit

Modellergebnisse i.

Pessimistisches Szenario für das Jahr 2020

ii.

Optimistisches Szenario für das Jahr 2025

Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Zusammenfassung I ●

Im pessimistischen Fall kommt es bereits in 2020 zu großen Deckungslücken in Deutschland



Diese erreichen je nach verwendetem Lastjahr zwischen 2,1 GW und 6,9 GW in Süddeutschland und zwischen 3,6 GW und 3,7 GW in Norddeutschland



Die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung erreicht bis zu 200 Std. im Süden und 425 Std. im Norden

Maximale Lastunterdeckungshöhe (pessimistisch), 2020

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

REMix-Ergebnisse: Zusammenfassung II ●

Im optimistischen Fall für das Jahr 2025 ergeben sich maximale Deckungslücken zwischen 0,05 GW und 1,7 GW in Süddeutschland und zwischen 1,8 GW und 3,3 GW in Norddeutschland



Höchste Werte ergeben sich bei reduzierter Übertragungskapazität, niedrigste bei geringerer Gleichzeitigkeit der Spitzenlasten. Bei Verwendung der vermeintlich schlechteren Wetterjahre treten im Süden höhere, im Norden jedoch geringere Deckungslücken auf.



Die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung erreicht bis zu 178 Std. im Norden und 28 Std. im Süden



Es gibt in allen Szenarien Defizite in Frankreich und Polen, die sich auch auf Deutschland auswirken

Maximale Lastunterdeckungshöhe (optimistisch), 2025

Lastunterdeckungshäufigkeit (optimistisch), 2025

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Fazit ●

Bewertung zukünftiger Versorgungssicherheit erfordert neue Methoden



Nutzung stochastischer Kraftwerksverfügbarkeiten und Simulation von 300 Variationen erlauben detailliertere Aussagen zur Versorgungssicherheit als die Verwendung statischer Werte



Entwicklung der Versorgungssicherheit stark von der angenommenen Kraftwerkssterbelinie abhängig



Im ungünstigen Szenario kommt es bereits im Jahr 2020 zu massiven Ausfällen, im günstigen Fall gibt es in Süddeutschland erst in 2025 Ausfälle, in Norddeutschland jedoch spätestens in 2023



Die maximale Höhe der Deckungslücke liegt in Deutschland im pessimistischen Szenario für 2020 bei 9 GW und im optimistischen Szenario für 2025 bei 3,3 GW



Diese Leistung könnte z.B. durch die Vorhaltung von Reservekraftwerken bereitgestellt werden



Laufzeitverlängerung oder Retrofit existierender Anlagen kann zusätzliche Minderung bewirken



Die aktuell geplante Kapazitätsreserve reicht im pessimistischen Fall bereits in 2020 nicht mehr aus – dies ist natürlich sensitiv hinsichtlich der angenommenen Außerbetriebnahme von Kraftwerken



Eine Verzögerung des Netzausbaus würde sich negativ auf die Versorgungssicherheit auswirken

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Diskussion und Ausblick Stochastische Simulation der Kraftwerksverfügbarkeit ●

Simulation der Kraftwerksverfügbarkeiten für Deutschland hinreichend



Aus Übertragung auf andere Länder ergibt sich in bestimmten Fällen evtl. eine Unterschätzung



Verfügbare Daten zur Kalibirierung des Modells (noch) relativ gering



Alternative stochastische Ansätze könnten noch bessere Werte liefern

Berechnung der Versorgungssicherheitsindikatoren mit REMix ●

Stochastische Verläufe der Kraftwerksverfügbarkeit bilden Realität besser ab als statischer Werte



Variabilität von Bedarf und EE-Erzeugung haben noch größeren Einfluss als Kraftwerksverfügbarkeit



Deckungslücken resultieren zunächst aus Netzengpässen und dann aus Mangel an Erzeugungsleistung



Defizite in Deutschland können sich auch aus Mangel an Erzeugungskapazität im Ausland ergeben

Weiterführende Arbeiten ●

Da der Netzausbau einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Versorgungssicherheit leistet, sollten weitere Untersuchungen die Rolle verschiedener Maßnahmen genauer untersuchen



Betrachtung weiterer Last- und EE-Erzeugungszeitreihen kann die Robustheit der Ergebnisse erhöhen



Durch welche Technologien (z.B. Kraftwerke, Speicher, Netze, Lastmanagement, Sektorenkopplung) Lücken am günstigsten zu vermeiden sind ist zu erforschen



Wo diese am besten zu positionieren sind, ist ebenfalls noch zu bewerten

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhänge

A. Annahmen im optimistischen und pessimistischen Szenario B. Details zur Methodik der Simulation von Kraftwerksverfügbarkeiten C. Weitere Ergebnisse: optimistisches Szenario für das Jahr 2023

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang A: Übersicht zentraler Annahmen 1 Optimistischer Fall

Pessimistischer Fall

Die Transformation des deutschen Energiesystems wird wie geplant umgesetzt.

Bei der Transformation des Energiesystems kommt es zu Verzögerungen.

Der genehmigte Netzentwicklungsplan wird Realität.

Die Vorhaben des Netzentwicklungsplans verzögern sich.

Energieeffizienzmaßnahmen reduzieren Nachfrage.

Die Nachfrage nach Elektrizität bleibt auf heutigem Niveau.

Konventionelle Kraftwerke erreichen erwartete Betriebsdauer

Konventionelle Kraftwerke gehen früher außer Betrieb.

Die regenerative Stromerzeugung liefert Leistungsbeitrag.

Der Leistungsbeitrag reg. Stromerzeugung ist sehr gering.

Reg. Einspeisung gemäß mittlerem meteorologischem Jahr.

Reg. Einspeisung gemäß „Dunkelflaute“ (2010).

Regelleistungsbedarf bleibt konstant auf heutigem Niveau.

Regelleistungsbedarf steigt aufgrund Erneuerbarer an.

Lastabschaltung in der stromintensiven Industrie.

Lastabschaltung lediglich wie von ÜNB kontrahiert.

1 Borggrefe,

F.; Pregger, T.; Gils, H. C.; Cao, K. K.; Deissenroth, M.; Bothor, S.; Blesl, M.; Fahl, U.; Steurer, M. & Wiesmeth, M. Kurzstudie zur Kapazitätsentwicklung in Süddeutschland bis 2025 unter Berücksichtigung der Situation in Deutschland und den europäischen Nachbarstaaten, 2014

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Datenverfügbarkeit historischer Kraftwerksausfälle ●

Datenverfügbarkeit und -quelle Monat ‐ Jahr Deutschland Jan 13 Feb 13 Mrz 13 Apr 13 Mai 13 Jun 13 EEX Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 EEX Jul 14 Aug 14 Sep 14 Okt 14 Nov 14 Dez 14

Österreich

Schweiz

Tschechische  Frankreich Republik

Belgien

Norwegen

Polen

Dänemark

Niederlande

nicht verfügbar

EEX nicht verfügbar

nicht verfügbar EEX

RTE

Elia

EEX



Daten für deutsches Netzgebiet mit größter Grundgesamtheit



Zeitaufwand für Analyse und Simulation gegeben



Zunächst Fokus auf Daten für Deutschland → Basis folgender Simulationen

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Nichtverfügbarkeitsdaten für Deutschland I ●

Verlauf der Nicht-Verfügbarkeit von fossil befeuerten Kraftwerken in 2013/14 Geplant  Tendenziell saisonaler Verlauf  Teilweise hohe kurzfristige Werte Ungeplant  Häufige Ausfälle meist < 2 GW  Vorgabe geplant 2014, Simulation ungeplant Geplant  Tendenziell saisonaler Verlauf  Charakteristischer Wochenverlauf Ungeplant  Häufige Ausfälle, teilweise großer Dauern  Vorgabe geplant 2013, Simulation ungeplant Geplant  Teilweise hohe nichtverfügbare Leistung Ungeplant  Häufige Ausfälle, teilweise größere Dauern  Vorgabe geplant 2013, Simulation ungeplant Geplant  Wiederkehrende NV Ungeplant  Seltene Ausfälle  Vorgabe einer konstanten Verfügbarkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Nichtverfügbarkeitsdaten für Deutschland II ●

Verlauf der Nicht-Verfügbarkeit von nuklearen und hydraulischen Kraftwerken in 2013/14 Geplant  Revisionen von April bis Oktober Ungeplant  Seltene Ausfälle  Vorgabe geplant und ungeplant 2014 Geplant  Seltene NV mit geringer Leistung Ungeplant  Seltene Ausfälle  Vorgabe einer konstanten Verfügbarkeit Geplant  Leicht saisonaler Verlauf Ungeplant  Häufige wiederkehrende Ausfälle  Vorgabe einer konstanten Verfügbarkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Vergleich historischer Werte und früherer Annahmen ● ●

Verlauf der historischen Verfügbarkeit (Nicht-Verfügbarkeit / inst. Leistung) in 2013/14 Konstant angenommene Verfügbarkeit in Borggrefe et al. 2014 (opt. = pess.)

 Annahme der konstanten Verfügbarkeit wird Realität nicht gerecht  In kritischen Winterstunden kann Verfügbarkeit zudem größer sein als konstante Annahme

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Vorgehensweise bei Analyse historischer Daten ●

Mittlerer Wochengang der geplanten und ungeplanten Steinkohle-Nichtverfügbarkeiten (NV)

 Signifikante Erhöhung Sa, So  Nahezu äquidistante Quantile

 Nahezu konstanter Mittelwert  Äquidistante Quantile

Häufigkeitsverteilung der Nichtverfügbarkeits-Dauern  Häufigste Ereignisse kürzer als ein Tag  Seltene Häufigkeiten größer sieben Tage  Leistungsgewichtete Häufigkeiten stimmen überein  Klasseneinteilung für Simulationen anhand der Dauer: 0 ≤ Dauer < 1d | 1d ≤ Dauer < 7d | 7d ≤ Dauer < 730d

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Vorgehensweise Simulation der Verfügbarkeiten I ●

Simulation der Nichtverfügbarkeiten durch Mean-Reversion Jump-Diffusion-Ansätze i.

Es werden die Differenzen der Zeitreihen erfasst und simuliert und zu Vorgängerwert addiert

ii.

Mean-Reversion: stochastischer Prozess mit Tendenz zur Rückkehr auf einen Mittelwert

iii.

Jump-Diffusion: stochastischer Prozess mit Sprüngen auf Basis einer Poisson-Verteilung

iv.

Bestimmung der Prozess-Parameter mit Hilfe historischer Daten unter Berücksichtigung der Verteilungs-Kongruenz (historische Verteilung soll durch Simulationsverteilung gut repräsentiert werden) Mean-Reversion-

Jump-Diffusion-Ansatz:

St+1 - St = κ ( µ - St ) ∆t + σ1 ∆Wt,1 + σ2 ∆Wt,2 ∆Pt(λ) St+1 - St: κ: µ: ∆t: σx ∆Wt,x: ∆Pt(λ) :

Intertemporale Differenz der Nichtverfügbarkeit Rückkehrrate des Mean-Reversion-Prozesses Langfristiger Mittelwert des Mean-Reversion-Prozesses Zeitschritt (Einheit ist Stunde -> ∆t = 1) Werte einer Standard-Normalverteilung multipliziert mit Std.-abw. σx Werte einer Poissonverteilung mit Erwartungswert λ

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang B: Vorgehensweise Simulation der Verfügbarkeiten II ●

Simulations-Ansatz in Monte-Carlo-Anwendung (Jeweils neue Stichprobe für die Argumente der Verteilungsfunktionen (Zufallszahlen))



Historische Nichtverfügbarkeiten besitzen asymmetrische Verteilung (stets ≥ 0, Mittelwert des entspr. Prozesses teilweise < 0 ), daher findet auch die Kumulation der simulierten Differenzen asymmetrisch statt: ∗

,

0,





min min

„Nicht-Negativität“



und



, ,



∀∆

∙ max ∆

∀∆

∙ max ∆

„Sprung-Konformität“

Verteilungs-Kongruenz: historische Verteilung soll durch Simulationsverteilung gut repräsentiert werden; Beispiel: Steinkohle-NV für 1d ≤ Dauer < 7d

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang C: Optimistisches Szenario für das Jahr 2023, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Es kommt in allen Varianten zu Lastausfällen in Norddeutschland, Frankreich und Polen



In Süddeutschland kann die Last immer gedeckt werden



In Norddeutschland liegt der ungedeckte Bedarf zwischen 51 und 80 GWh, mit Mittelwert von 64 GWh

Ungedeckter Bedarf

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang C: Optimistisches Szenario für das Jahr 2023, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Die Lastausgleichswahrscheinlichkeit beträgt in Süddeutschland 100%, in Norddeutschland 99,4%



Von Ausfällen ist lediglich eine Region im Westen Deutschlands



Auch dort beschränken sich die Ausfälle auf die erste Februarhälfte Lastausgleichswahrscheinlichkeit

Stündliche Lastausfallswahrscheinlichkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang C: Optimistisches Szenario für das Jahr 2023, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

Die Anzahl der Stunden mit Unterdeckung liegt in Norddeutschland zwischen 44 und 67 Stunden, bei einem Mittelwert von 56 Stunden



In Frankreich wird eine ähnliche Zahl von Stunden gemessen, in Polen liegt sie deutlich höher Lastunterdeckungshäufigkeit

Szenarien der Versorgungssicherheit in Deutschland und Süddeutschland

Anhang C: Optimistisches Szenario für das Jahr 2023, Lastjahr 2012, Wetterjahr 2006 ●

In Norddeutschland liegt die maximale Deckungslücke bei 3,2 GW und der Mittelwert bei 1,2 GW



Deutlich größere Lücken treten in Frankreich und Polen auf Lastunterdeckungshöhe

Fokus auf das Szenariojahr 2025 um Deckungslücken in Süddeutschland zu untersuchen