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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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1 Einleitung Der

1 Einleitung Der fluktuierende und stochastische Charakter der Einspeisung aus Windenergieanlagen (WEA) in Verbindung mit der prognostizierten Anlagenkonzentration führt zu absehbar großen Herausforderungen bei der Integration von WEA in das System der elektrischen Energieversorgung. Zum einen muss ein hohes Maß an kurzfristiger Reserve bereit gehalten werden, zum anderen kann die Ballung von WEA in last- und strukturschwachen Netzbereichen in Starkwindzeiten zu evtl. unzulässig hohen Belastungen der Übertragungsnetze führen. Mögliche Abhilfemaßnahmen sehen heute zum einen Netzverstärkungen, zum anderen Erzeugungsmanagement, d. h. Abschaltung der WEA bei unzulässiger Netzbelastung, vor. Alternativ könnte zukünftig der energiewirtschaftliche Nutzen und die Systemintegration von Windenergieanlagen durch Speichertechnologien gefördert werden. Diese ermöglichen es, die fluktuierende WEA-Einspeisung von der Netzeinspeisung zeitlich zu entkoppeln und ihr so den Charakter eines kontinuierlich und geplant einsetzbaren Kraftwerks zu geben. Zu diesem Zweck erscheinen Druckluftspeicher, auch Compressed Air Energy Storages (CAES) genannt, besonders geeignet. Ihre Investitionskosten bewegen sich im gleichen Bereich wie die von Pumpspeicherkraftwerken. Im Gegensatz zu diesen benötigen sie zur Speicherung Kavernen oder Aquifere, die in Europa an FORSCHUNGSPROJEKTE Verbesserte Netzintegration von Windenergieanlagen mittels Druckluftspeichern Advanced Integration of Wind Power by Compressed Air Energy Storages (CAES) Dipl.-Ing. Philipp Siemes philipp.siemes@iaew.rwth-aachen.de Europa und insbesondere Deutschland sind weltweit führend bei der installierten Leistung von Windenergieanlagen (WEA). Die hohe Zahl an WEA verursacht aber bereits heute Probleme bei der Integration in das bestehende Stromversorgungssystem, die sich mittelbar auf deren mangelnde Steuerbarkeit zurückführen lassen. Druckluftspeicher, auch Compressed Air Energy Storages (CAES) genannt, können durch die Entkopplung der WEA-Einspeisung vom restlichen Energieversorgungssystem zur Lösung bzw. Minderung dieser Probleme beitragen. Nach Analyse möglicher Einsatzstrategien von CAES und deren Wirkungsweisen werden Verfahren zur Auslegung und systemtechnischen Bewertung der aktuell verfügbaren und zukünftigen CAES-Technologie vorgestellt. Diese umfassen die Positionierung, Dimensionierung und abschließende wirtschaftliche Bewertung von CAES. Wind energy is increasing globally at a fast pace. A considerable fraction of today’s installed capacity is situated in Europe and particularly in Germany. At this stage, the large number of wind turbines has already been causing troubles with their integration into the existing power system. All these matters originate indirectly from the lack of wind turbines’ controllability. Therefore the use of Compressed Air Energy Storages (CAES) might help to reduce these matters through decoupling of wind turbines’ feed-in from the remaining power system. After the analysis of different CAES control strategies and their actions, the procedures for design and evaluation of both available and future CAES Technology are presented. These procedures comprehend the positioning, dimensioning and the concluding economical evaluation of CAES. allen windstarken Standorten in ausreichender Zahl vorhanden sind. Im Weiteren werden im Anschluss an die Analyse die Verfahren zur Auslegung und systemtechnischen Bewertung der aktuell verfügbaren und zukünftigen CAES-Technologie zur Integration von WEA-Einspeisung in das System der Energieversorgung vorgestellt. 2 Analyse 2.1 CAES-Varianten Die Energiespeicherung mittels Drucklufttechnik ist eine in Deutschland seit 1978 eingesetzte Technologie. Die im Kraftwerk Huntorf der E.ON Kraftwerke AG eingesetzte Technologie nutzt die mittels elektrischer Energie komprimierte Luft in einem Gasturbinenprozess. Energetisch ergibt sich für diese Variante ein Wirkungsgrad von 42%. Ein weiteres CAES-Kraftwerk wird in McIntosh, Alabama, USA, seit den 90er Jahren betrieben, bei dem über Wärmerückgewinnung bereits ein Wirkungsgrad von 54% erreicht wird. Technisch fortentwickelte Varianten, wie sie derzeit auch im Rahmen des im 5. Rahmenprogramm von der EU geförderten Projektes „Advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES)“ [1] von technischer Seite untersucht werden, erreichen durch einen speziellen Wärmespeicher Wirkungsgrade von bis zu 70% bei vollständiger Emissionsfreiheit. Da selbst ein Prototyp dieses AA-CAES nicht vor 2010 zu erwarten ist, wird IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 93

FORSCHUNGSPROJEKTE sowohl der Einsatz derzeit verfügbarer CAES- Technologie, als auch der zukünftige Einsatz von AA- CAES untersucht. 2.2 Wirkungsweisen Wie bereits einleitend beschrieben, könnte durch CAES die Integration von Windenergieanlagen unterstützt werden, indem der Speicher direkt an den Märkten für Fahrplanenergie und Minutenreserve vermarktet wird und so mittelbar den Wert der WEA-Einspeisung steigert. Alternativ kann ein Speicher in direkter Kombination mit einem Kollektiv von WEA zur Veredelung der WEA-Einspeisung eingesetzt werden. Zuletzt ist auch denkbar, dass die Zwischenspeicherung zur Vermeidung von Netzüberlastungen eingesetzt wird, indem ähnlich heutiger Redispatch-Maßnahmen gezielt Leitungen oder Regionen entlastet werden. 3 Verfahren Der erste Schritt bei der Auslegung von CAES zur Integration von WEA-Einspeisung besteht in der Ermittlung geeigneter Standorte. Zum einen kommen nur Standorte mit den nötigen geologischen Strukturen, also Salzstöcke oder Aquifere, in Frage. Zum anderen werden bei einem Speichereinsatz zur gezielten Entlastung einzelner Übertragungsleitungen auch Anforderungen aus elektrotechnischer Sicht an die geographische Speicherpositionierung gestellt. Diese Anforderungen werden in Kapitel 3.1 genauer erläutert. Nach der Positionierung des CAES erfolgt im zweiten Schritt die geeignete Dimensionierung, die wesentlich von der antizipierten Wirkungsweise abhängt. Das Verfahren der Dimensionierung wird in Kapitel 3.2 behandelt, bevor in Kapitel 3.3 die wirtschaftliche Bewertung erfolgt. 3.1 Positionierung In eng vermaschten Höchstspannungsnetzen sind die Übertragungsverluste relativ gering, benachbarte Netzknoten elektrisch eng gekoppelt und das Spannungsniveau an allen Netzknoten nahezu gleichmäßig. Unter diesen Voraussetzungen ist der Zusammenhang zwischen der Wirkflussänderung auf einem Zweig und der Veränderung der Einspeisung an einem Knoten bei gegebener Netztopologie nahezu linear [2]. Die Übertragungsfähigkeit im UCTE-Verbundnetz ist zumeist durch die thermische Belastbarkeit der Leitungen und Transformatoren und damit durch die Ströme begrenzt. Unter der Voraussetzung geringer Blindleistungstransporte kann eine äquivalente Wirklastflussgrenze F max abgeleitet werden. Diese Netzrestriktionen können durch folgendes lineares Ungleichungssystem beschrieben und als Nebenbedingungen der Optimierungsaufgabe modelliert werden. Zweig 1 . m Knoten 1 … n Knoten M 0 ... Zweig 1 . M m-1 1 Sensitivit Sensitivitäts- Sensitivit Sensitivitätsmatrix • ΔP ΔP ΔP ΔP ≤ Kompressorleistung Zweige F max F max F max F max F max max. Zweigbelastung Einzuhaltende Nebenbedingungen des Gleichungssystems sind entsprechend des (n-1)-Kriteriums die maximalen Zweigbelastungen. Die Zielfunktion der linearen Optimierung entspricht im einfachsten Fall der Minimierung der zu errichtenden CAES-Kompressorleistung. Eine Minimierung der Einspeicherleistung muss jedoch kein Gesamtkostenminimum darstellen, da die Kosten beim Kavernenbau nicht proportional zum benötigten Speichervolumen sind. Weiterhin ist die Errichtung von Kavernen an Standorten, die bereits über eine bestehende Infrastruktur verfügen, z. B. zur Speicherung von Erdgas, deutlich kostengünstiger als an neuen Standorten. Da die Soleentsorgung einen großen Kostenfaktor bei der Kavernenerrichtung darstellt, sind zudem küstennahe Standorte zu bevorzugen. Diese unterschiedlichen Kostenfaktoren können durch eine entsprechende Anpassung der Koeffizienten des Gleichungssystems berücksichtigt werden. Die Optimierung des Gleichungssystems liefert dann anstelle der minimalen Kompressorleistung das Gesamtkostenminimum. 3.2 Dimensionierung Der modulare Aufbau eines CAES in Kompressormaschinensatz zur Verdichtung von Luft, Entspannungsmaschinensatz zur Erzeugung von elektrischer Energie und Kavernen zur Speicherung von Druckluft bietet die Möglichkeit, einen CAES individuell und in Abhängigkeit von seiner jeweiligen Anwendung zu dimensionieren. Zwischenspeicherung Reduktion / Angebot von Reserve zur Netzentlastung Vermarktung von Fahrplanenergie Netzentlastung bestimmt Kompressorleistung Simulation von Lastdaten und Windeinspeisung Kompressorleistung ist Freiheitsgrad Zeitreihe d.WEA- Zeitreihe d.WEA- Prognosefehlers Einspeisung Simulation des Speichereinsatzes Reserveleistung, -energie Fahrplanenergie Optimale Dimensionierung von Speicher und Turbine Bild 1: Dimensionierung von CAES 94 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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