Der Ausstieg aus der Kernkraft und die Integration großer Strommengen aus erneuerbaren Energiequellen stellen das Stromversorgungssystem vor große Herausforderungen. Energiesystemanalysen helfen dabei, den Umstieg besser zu planen. Von Prof. Dr. Reinhard German und Marco Pruckner
Wenn die Energieversorgung immer dezentraler wird, wird es im Gegenzug auch immer komplexer, das System zu steuern und optimale Konfigurationen und Betriebszuständen zu finden. Indem man Simulations- und Optimierungs-Software mit physikalischen Modellen kombiniert, kann man Energiesysteme in unterschiedlichen Größenordnungen abbilden und unter realistischen Bedingungen optimieren.
Forscher aus dem Bereich Simulation des Energie Campus Nürnberg (EnCN) entwickeln derzeit ein solches Modell für eine Energiesystemanalyse im Freistaat Bayern. Auftraggeber ist Bayern Innovativ und der bei ihm angesiedelte Cluster Energietechnik. Außerdem wird das Projekt von zahlreichen Partnern aus Politik und Wirtschaft sowohl finanziell als auch fachlich unterstützt: Areva AG, Bayerische Energieagentur, BayWa, Allgäuer Überlandwerke, E.ON, Infra Fürth, Kraftanlagen München, OMV, Ostwind, Siemens, Stadtwerke Ulm und Würzburg, Tennet und Thüga.
Bei dem Modell, das an den Lehrstühlen Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme), Wirtschaftsmathematik und Elektrische Energiesysteme der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) im Rahmen des EnCN entwickelt wird, handelt es sich um ein kombiniertes Optimierungs-, Simulations- und Netzmodell, das die wesentlichen Bausteine des bayerischen Energiesystems miteinander verknüpft. Hierzu zählen die Stromerzeugung aus konventionellen und erneuerbaren Energiequellen, die Stromnachfrage, der Stromtransport und der Austausch mit Energiespeichern. Mit dem fertigen Modell soll es möglich sein, unterschiedliche Handlungs- und Ausbauoptionen für den Energieumstieg in Bayern zu untersuchen sowie die damit verbundenen Chancen und Risiken besser abschätzen zu können.
Ausgangslage
Durch den Beschluss der deutschen Bundesregierung wird das letzte Kernkraftwerk Ende 2022 abgeschaltet. Der Freistaat Bayern ist davon besonders betroffen, da derzeit noch vier Kernkraftwerke mit einer Gesamtleistung von etwa 5 000 Megawatt in Betrieb sind. Die Kernenergie hatte im Jahr 2011 einen Anteil von knapp 50 Prozent an der bayerischen Stromerzeugung. Im Zuge des Unglücks von Fukushima hat die bayerische Staatsregierung im Mai 2011 ein umfassendes Energiekonzept verabschiedet. Zu den formulierten Herausforderungen zählen u.a. der schnellere Ausbau erneuerbarer Energiequellen, die bis 2021 einen Anteil von 50 Prozent am bayerischen Gesamtstromverbrauch haben sollen, der Neubau von Gas-Kraftwerken, der Ausbau der Übertragungsnetze und Stromspeicher sowie Maßnahmen zur Energieeinsparung. Gerade die Energieträger Sonne und Wind, deren Aufkommen schwankt, sollen mit einem Anteil von 16 bzw. sechs bis zehn Prozent am bayerischen Gesamtstromverbrauch von geschätzten 85 Terawattstunden (TWh) einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung im Jahr 2021 leisten.
Folgende Bausteine sind entscheidend für einen erfolgreichen Energieumstieg: Der intelligente Aus- und Umbau der Stromübertragungsnetze, der Ausbau der Stromspeicher, um schwankende Stromerzeugung ausgleichen zu können, und der Neubau hocheffizienter Gas-Kraftwerke. Das an der Universität entwickelte Energiesystemanalysemodell kann einen erheblichen Beitrag dazu leisten, um unterschiedliche Handlungsoptionen besser abschätzen zu können und um deren Kosten, Umsetzbarkeit und Auswirkungen auf die Umwelt zu analysieren.
Das Modell
Das Modell für die Energiesystemanalyse besteht aus drei sich ergänzenden Komponenten – einem Optimierungs-, einem Simulations- und einem elektrischen Netzmodell. Jedes von ihnen kann auch unabhängig von den anderen betrieben werden. Das Optimierungsmodell wird am Lehrstuhl für Wirtschaftsmathematik entwickelt und soll einen unter Kostengesichtspunkten optimalen Ausbaupfad für die verschiedenen konventionellen und erneuerbaren Energieträger (Gas, Steinkohle, Öl, Wind, Wasser, Photovoltaik, Biomasse, Geothermie) generieren. Dabei werden wichtige Nebenbedingungen berücksichtigt, z.B. Deckung der Nachfrage zu jedem Zeitpunkt, Ausbau der erneuerbaren Energieträger auf 50 Prozent oder Einhaltung der Kohlendioxid-Emissionsziele.
Mit dem Simulationsmodell ist es möglich, die Dynamik beim Ausbau der erneuerbaren Energieträger abzubilden. Denn die Einspeisung von erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenenergie ist von der Wetterlage abhängig und kann stark schwanken. Weil auch die Stromnachfrage je nach Tageszeit unterschiedlich ist, wird die Abstimmung von Angebot und Nachfrage zu einer komplexen Aufgabe. Das nun entwickelte Modell kann bereits stundengenaue Aussagen treffen. Somit können unterschiedliche Szenarien und deren Auswirkungen auf die Energie- und Emissionsbilanz in Bayern untersucht und deren Chancen und Risiken abgeschätzt werden.
Im Simulationsmodell werden stündliche Zeitreihen generiert, wie die Stromnachfrage zu jedem Zeitpunkt aus erneuerbaren Energien und konventionellen Kraftwerken gedeckt werden kann. Diese Zeitreihen können in das Netzmodell eingelesen werden. Im Netzmodell werden anschließend Lastflussrechnungen durchgeführt, um mögliche Netzengpässe oder Stabilitätsprobleme festzustellen.
Erste Ergebnisse
Erste Rechnungen zeigen bereits ein Dilemma auf: Auf der einen Seite ist die Wirtschaftlichkeit neuer Gas-Kraftwerke unter den gegenwärtigen Marktbedingungen unsicher. Auf der anderen Seite dürfte ohne den Zubau neuer Gas-Kraftwerke und ohne Netzausbau die Versorgungssicherheit in Bayern unter Druck geraten. In den nächsten Monaten werden die einzelnen Modelle verfeinert und einige Ergänzungen implementiert, um damit weitere wichtige Merkmale der Energiewende untersuchen zu können. Durch den modularen Aufbau wird es zukünftig möglich sein, dass Modell auch auf andere Regionen anwenden zu können.
