Trotz massiver Kostensenkungen und des kontinuierlichen Ausbaus erneuerbarer Energien in Europa besteht weiterhin ein Bedarf an gesicherter, grundlastfähiger Stromerzeugung. Das Technology & Innovation-Team im Bereich Uniper Renewables hat anhand unternehmensinterner Wind- und PV-Erzeugungsprofile sowie eigener Annahmen zu Batteriekosten und Technologieentwicklung untersucht, inwiefern erneuerbare Energien Grundlastprofile erzeugen können.
Die gemeinsame Nutzung von Erzeugung und Speicherung an einem Netzanschlusspunkt erhöht dessen Auslastung und senkt die Gesamtkosten für Projektierer. Bei Netzanschlusskosten von 70.000 Euro bis 200.000 Euro pro MW ergeben sich erhebliche Einsparpotenziale. Um festzustellen inwieweit Hybridprojekte zur Bereitstellung von Grundlastprofilen beitragen können, wurden Profile aus dem Jahr 2010 von einem konkreten Projektbeispiel und synthetische (theoretische) Profile für Solar- und Windstromerzeugung in Deutschland verwendet und kombiniert. Längere Dunkelflauten und deren Häufigkeit sind dabei nicht Bestandteil der Untersuchung, da nur ein einzelnes Wetterjahr an einem Standort betrachtet wird.
Wie viel Grundlast können erneuerbare Energien liefern?
Mit Grundlast ist im Folgenden die Bereitstellung einer Leistung zur Deckung eines konstanten bzw. minimalen Strombedarfs bzw. einer entsprechenden Last über einen definierten Zeitraum gemeint. Reine Solarprofile: Solarprofile unterliegen wetterbedingten Schwankungen und regionalen Unterschieden, lassen sich jedoch tageszeitlich und saisonal näherungsweise durch Sinuskurven beschreiben. Die saisonale Variabilität ist so ausgeprägt, dass rund ein Drittel der Jahreserzeugung über der mittleren Last liegt. Um diese Energie vollständig zu speichern und eine Jahresgrundlastprofil zu erzeugen, wären Speicher mit Lade und Entladezeiten von drei bis vier Monaten erforderlich. Reine Solarprofile wurden daher nicht weiter als Möglichkeit zur Schaffung von Jahresgrundlastprofilen betrachtet, da die Kosten für einen solchen Speicher auf Li-Ionen Basis schlicht zu hoch wären.
Wind und Solarprofile: Tageswindprofile folgen zwar keinem strikt deterministischen Muster, zeigen jedoch infolge thermischer Durchmischung statistische Tagesgänge – mit einem Maximum meist später am Tag als bei Solarenergie. Vorteilhaft ist vor allem die gegenläufige saisonale Korrelation von Wind und Solarerzeugung, wodurch die Kombination beider Technologien systemisch besonders attraktiv ist (Abbildung 1).
Auf einer gemeinsamen Fläche lassen sich Wind zu Solar Leistungsverhältnisse von 1:1 bis 1:5 realisieren. In den untersuchten Fällen ergeben sich höchste Grundlastanteile bei Verhältnissen zwischen 1:3 und 1:2. Dabei liegen im konkreten Projektbeispiel 12 Prozent und bei synthetischen Profilen bis zu 44 Prozent der Erzeugung in der Grundlast. Bereits ohne Speicher kann eine theoretische Verfügbarkeit bis zu 100 Prozent erreicht werden, da Tage mit sehr geringer Erzeugung insgesamt seltener auftreten als bei reinen Solarprofilen.
Wind und Solarprofile plus Speicher
Durch den Einsatz von Speichern lässt sich der Grundlastanteil weiter steigern. Tagesspeicher (24 h) mit Kapazitäten von etwa 1,4 Prozent beziehungsweise 3,0 Prozent der installierten Leistung (große Kapazität, geringe Leistung) von Wind plus Solar erhöhen den Grundlastenergieanteil auf rund 21 Prozent (von 12 Prozent für Wind + PV ohne Speicher) beziehungsweise 63 Prozent (von 44 Prozent für Wind + PV ohne Speicher), jeweils bei theoretisch vollständiger Verfügbarkeit. Die große Spanne verdeutlicht, dass synthetische Tagesprofile nur sehr bedingt geeignet sind, um eine Aussage darüber treffen zu können, mit welcher Wahrscheinlichkeit welcher Grundlastanteil erreicht werden kann.
Durch die Kombination von Wind und Solarprofilen mit ergänzenden Speichern lassen sich unter teilweise idealisierten Bedingungen erneuerbare Grundlastprofile erzeugen. Der grundlastfähige Anteil der Gesamtstromerzeugung erreicht dabei 21 Prozent und mehr, ohne Wasserkraft, Biomasse oder Offshore Wind zu nutzen. Es ist wichtig zu beachten, dass jeweils nur ein kleiner Teil der installierten Gesamtleistung als gesicherte Grundlast zu Verfügung steht (Abbildung 2).
UNIPER
Der Wert erneuerbarer Grundlastprofile: Zur Bewertung von Stromabnahmeverträgen dient der energie normalisierte Profilwert, der Erlöse unabhängig von der Energiemenge vergleichbar macht. Monatliche Grundlastprodukte erzielen durch konstante 24/7 Lieferung hohe Erlöse, erfordern jedoch erhöhte Investitionen und Profilanpassungskosten. Sie werden als Basis der Betrachtung verwendet. Jährliche Grundlasten können in Hochpreisphasen zusätzliche Erlöse erzielen, erfordern jedoch deutlich höhere Überdimensionierung.
Die monatlichen und jährlichen Grundlastprofile sind technologieunabhängig und gelten damit auch für die theoretische Erzeugung aus zum Beispiel Wind+PV+Speichern. Erzeugungsabhängige PPAs zeigen technologiespezifische Unterschiede: Photovoltaik erzielt aufgrund der Erzeugung in Niedrigpreiszeiten geringere Erlöse, während Wind ähnliche Erlösniveaus wie bei monatlicher Grundlast erreichen kann. Batteriespeicher ermöglichen eine zeitliche Verschiebung der Erzeugung und können Erlöse bis auf Grundlastniveau anheben, bei geringeren Investitionskosten.
Weitere Optimierung und Ausblick
Zukünftige Anlagendesigns und Projekte optimieren zunehmend nicht den gesamten Jahresertrag, sondern Markt und Systemwert. Südausrichtungen mit angepassten Neigungswinkeln verbessern Wintererträge, vertikale Ost West Konfigurationen erzeugen strommarktoptimierte Tagesprofile (kein Mittagspeak) und können längere Dunkelflauten besser überbrücken. Diese Entwicklungen erhöhen den bedarfsgerecht bereitstellbaren Anteil erneuerbarer Erzeugung und können den Speicherbedarf reduzieren. Ergänzend zeichnen sich technologische Fortschritte wie Perowskit Silizium Tandemsolarzellen ab, die bei geringem Lichteinfall mehr Strom erzeugen können. Darüber hinaus könnten zeitbasierte Herkunftsnachweise den Marktwert erneuerbarer Grundlastprofile weiter erhöhen, indem sie die zeitliche Übereinstimmung von Erzeugung und Nachfrage sichtbar machen.
Zusammenfassend ist erneuerbare Grundlast kein unmöglicher Mythos, jedoch derzeit noch anspruchsvoll und kostenintensiv. Wind + PV + BESS bieten jedoch bei intelligentem Ausbau einen wichtigen Beitrag zu Grundlast, ohne 100% Jahresgrundlast anbieten zu können. Langfristig werden Nachfrageflexibilität und intelligentere Netze die Grundlastherausforderung schrittweise reduzieren. Die Nutzung von Sektorenkopplung (Mobilität, Wärme, Wasserstoff, etc.), weiterer erneuerbarer Energieträger und die Vernetzung von Standorten mit unterschiedlichen Wetterbedingungen kann erneuerbare Grundlast rentabler machen. Ebenso könnten Technologie-Entwicklungen im Wochenspeicherbereich (Flow-Batterien, Eisen-Luft) die Wirtschaftlichkeit von erneuerbarer Grundlast erhöhen. Möglicherweise kann dann auf kostenintensive saisonale Speicher in der Stromerzeugung verzichtet werden, wenn zuvor genannte Möglichkeiten ausreichend genutzt werden.
Autoren:
Dan Garlin, COO Uniper Renewables,
Tom Kunst, Trainee Uniper SE,
Dennis Lange, Renewables Innovator Technology & Innovation,
Christian Folke, Head of Technology & Innovation Uniper Renewables
