Dimensionierung eines Akkumulatorsystems zur Optimierung der Fahrplantreue eines Windparks

Abstract

Die Entwicklung der deutschen Energiewirtschaft wurde in den vergangenen Jahren vorrangig von der Liberalisierung der Energiemärkte sowie der gezielten Förderung und dem Ausbau von erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung geprägt. Das Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien hat, mit dem Instrument der festen Einspeisevergütung und der Privilegierung der Stromerzeugung, deren Anteil an der deutschen Stromerzeugung stetig steigen lassen. Inzwischen liegt der Anteil der erneuerbaren Energien an der deutschen Bruttostromerzeugung bei 26,2 %, wobei die Windenergie mit 9,1 % den größten Anteil unter den erneuerbaren Energien aufweist (BDEW (2015)). Im Zuge dieses erfolgreichen Zubaus an installierter Leistung rückt vermehrt die Problemstellung der Integration der hinzukommenden erneuerbaren Stromerzeugungsanlagen in das bestehende elektrische Energieversorgungssystem in den Fokus der energiewirtschaftspolitischen Diskussion. Zentrale Bedeutung haben dabei die Forderungen nach verstärkter Marktintegration, d.h. der effizienten Einbindung in marktwirtschaftliche Preisbildungsmechanismen, sowie der Systemintegration, also der Übernahme von Netzstabilitätsverantwortung durch die erneuerbaren Energien. Die beiden Forderungen wurden im aktuellen für die Windenergie insofern vom Gesetzgeber umgesetzt, als das diese zu einer aktiven Markteilnahme verpflichtet wird (verpflichtende Direktvermarktung) und die Anlagenbetreiber somit Lieferverpflichtungen eingehen bzw. diesen nachkommen müssen. Bei Windenergieanlagen ergibt sich aufgrund des fluktuierenden Erzeugungsverhaltens und Dargebotsabhängigkeit die Problematik, die Lieferverpflichtung (Fahrpläne) auf Basis einer komplexen und grundsätzlich fehlerbehafteten Erzeugungsprognose einzugehen. Im Betrieb kommt es regelmäßig zu Abweichungen zwischen dem vereinbarten Fahrplan und der tatsächlichen Einspeisung. Konsequenz dieser Abweichungen sind Fehlallokationen und Belastungen des Stromnetzes. Die bei der physischen Netzstabilisierung durch den Einsatz von Regelenergie anfallenden Kosten, werden im Rahmen der Bilanzierung verursachungsgerecht umgelegt, so dass die Fahrplanabweichungen auch das finanzielle Betriebsergebnis negativ beeinflussen. Der im Rahmen dieser Arbeit thematisierte Ansatz zielt darauf ab, die prognosebedingten Fahrplanabweichungen eines Windparks durch die Integration eines Akkumulatorsystems zu minimieren. Dabei ist es Ziel dieser Arbeit eine modellbasierte Dimensionierung der notwendigen Akkumulatorkapazität, unter den Bedingungen der Maximierung der Fahrplantreue eines Referenzwindparks und der Minimierung der durch die Prognoseabweichungen verursachten Kosten vorzunehmen. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wird zur Darstellung des theoretischen Hintergrundes zunächst auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Windenergie unter der Berücksichtigung der rechtlichen Rahmenbedingungen eingegangen. Des Weiteren werden die Vermarktungsregeln im Rahmen des Strommarktdesigns beleuchtet und die möglichen technischen und ökonomischen Konsequenzen von Fahrplanabweichungen aufgezeigt. Darauf aufbauend wird das Konzept des windparkintegrierten Akkumulatorsystems vorgestellt. Dabei wird zunächst auf den aktuellen Stand der Technik bei der Windleistungsprognose eingegangen und eine Identifikation des Prognosefehlers vorgenommen. Darauf erfolgt eine Einordung von Akkumulatoren in den Energiespeicherbegriff und eine Vorstellung verfügbarer Akkumulatortypen. Das vierte Kapitel beinhaltet die Beschreibung des Aufbaus des Simulationsmodells und die grundlegende Parametrisierung der einzelnen Systemkomponenten unter Berücksichtigung des zuvor identifizierten Stands der Technik. Im fünften Kapitel wird neben der Validierung der Modellkomponenten, die Definition von Simulationsszenarien vorgenommen. Anschließend erfolgt eine Vorstellung und Einordnung der Ergebnisse. Die Arbeit schließt mit einem Fazit und Ausblick.