Iteratives Modell zur Optimierung von Speicherausbau und -betrieb in einem Stromsystem mit zunehmend fluktuierender Erzeugung:
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INHALT
3
INHALT
1 EINFUHRUNG 7
1.1 ENERGIEWIRTSCHAFTLICHES UMFELD DER STROMERZEUGUNG 7
1.2 ZIEL DER ARBEIT 9
1.3 STRUKTUR DER VORLIEGENDEN ARBEIT 10
2 PROBLEMBESCHREIBUNG 11
2.1 EIGENSCHAFTEN DES STROMVERSORGUNGSSYSTEMS 11
2.2 ROLLE DER SPEICHER IM STROMVERSORGUNGSSYSTEM 15
3 ENTWICKLUNG EINES MODELLKONZEPTS 19
3.1 SPEICHER IN EINEM OPTIMIERUNGSMODELL DER STROMERZEUGUNG 19
3.2 BISHERIGE LOSUNGSANSATZE ZU KRAFTWERKS- BZW.
SPEICHERAUSBAUOPTIMIERUNG19
3.3 STRUKTUR DER OPTIMIERUNGSAUFGABE 23
3.4 VORUBERLEGUNGEN ZUR UMSETZUNG EINES OPTIMIERUNGSMODELLS 27
3.5 FESTLEGUNG DER EINGANGS- UND AUSGANGSGROBEN 31
4 MODELLBESCHREIBUNGEN 34
4.1 ITERATIVES MODELLKONZEPT IMAKUS 34
4.2 EINGANGSDATEN DERTEILMODELLE 38
4.2.1 DATEN DER KRAFTWERKE 38
4.2.2 BESTIMMUNG DER SPEZIFISCHEN ARBEITSABHANGIGEN KOSTEN 39 4.2.3
ANPASSUNG DER NETTOLEISTUNG DER KRAFTWERKSBLOCKE 40
4.2.4 ANSATZ FUR DIE SYNTHESE DER NETZLAST 42
4.2.5 ANSATZ FUR DIE EINSPEISUNG AUS WINDENERGIEANLAGEN 43
4.2.6 ANSATZ FUR DIE STROMEINSPEISUNG AUS KWK-ANLAGEN 45
4.2.7 ANSATZ FUR DIE SONSTIGE EINSPEISUNG AUS EEG-GEFORDERTER ERZEUGUNG
....47 4.2.8 ERMITTLUNG DER RESIDUALEN NETZLAST 49
4.2.9 DATEN DER SPEICHER 51
4.2.10 INSTRUMENTE ZUR INTEGRATION DES C0 2 -EMISSIONSHANDELS 52
4.3 MOWIKA - TEILMODELL FUR DEN KRAFTWERKSAUSBAU 55
4.3.1 GRUNDLAGEN DER LINEAREN PROGRAMMIERUNG 55
4.3.1.1 EINFUHRUNG 55
4.3.1.2 FORMULIERUNG IM RAHMEN DIESER ARBEIT 56
4.3.2 THEORIE DER AUSBAU- UND EINSATZPLANUNG VON KRAFTWERKEN 58 4.3.3
TEILMODELL MOWIKA- MODELLIERUNGSANSATZ 61
4.3.4 DISKRETISIERUNG DER GEORDNETEN JAHRESDAUERLINIE 64
4.3.5 TEILMODELL MOWIKA - FORMULIERUNG DES LINEAREN PROGRAMMS 69 4.3.6
SYSTEMGROBE DES MODELLS MOWIKA 84
4.4 MESTAS - TEILMODELL FUR AUSBAU- UND EINSATZPLANUNG VON SPEICHERN 85
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IMAGE 2
4
IN HALT
4.4.1 MESTAS - MODELLIERUNGSANSATZ 85
4.4.2 MESTAS - FORMULIERUNG DES LINEAREN PROGRAMMS 85
4.4.3 SYSTEMGROBE DES MODELLS MESTAS 101
4.5 MOGLIE - TEILMODELL ZUR BESTIMMUNG DER GESICHERTEN LEISTUNG 102
4.5.1 ZUVERLASSIGKEIT EINES ERZEUGUNGSKOLLEKTIVS 102
4.5.2 GESICHERTE LEISTUNG EINES ERZEUGUNGSKOLLEKTIVS 102
4.5.3 KRITERIEN ZUR AUSLEGUNG DES KRAFTWERKSPARKS 103
4.5.4 BESTIMMUNG DER GESICHERTEN LEISTUNG DES ERZEUGUNGSSYSTEMS 104
4.5.4.1 BEHANDLUNG DER THERMISCHEN KRAFTWERKE 105
4.5.4.2 BEHANDLUNG VON KWK-ANLAGEN, ERZEUGUNG AUS BIOMASSE UND
GEOTHERMIE 108
4.5.4.3 BEHANDLUNG VON WINDENERGIE, WASSERKRAFT UND SPEICHERN 109
4.5.4.4 BEHANDLUNG DES GESAMTSYSTEMS 114
4.6 ERGEBNISSTRUKTUR DES ITERATIVEN ANSATZES IN IMAKUS 116
5 TECHNOLOGIEN ZUR GROLBTECHNISCHEN SPEICHERUNG 124
5.1 PUMPSPEICHERWERKE (PSW) 124
5.2 DIABATE DRUCKLUFTSPEICHERKRAFTWERKE (CAES) 125
5.3 ADIABATE DRUCKLUFTSPEICHERKRAFTWERKE (AA-CAES) 125
5.4 WASSERSTOFFSPEICHERSYSTEME 126
5.4.1 ELEKTROLYSEVERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON WASSERSTOFF 126 5.4.2
SPEICHERMOGLICHKEITEN 128
5.4.3 RUCKVERSTROMUNG DES WASSERSTOFFS 128
5.4.4 GESAMTSYSTEM WASSERSTOFFSPEICHERUNG 129
6 DEFINITION DER RAHMENDATEN FUR DIE BEISPIELRECHNUNGEN 130
6.1 BESTEHENDER PARK AN KRAFTWERKEN UND SPEICHERN 130
6.2 BEHANDLUNG DER KERNENERGIE 130
6.3 ENTWICKLUNGSPERSPEKTIVEN IN DER KRAFTWERKSTECHNIK 131
6.3.1 GASTURBINEN 131
6.3.2 GAS-UND-DAMPFKRAFTWERK (GUD) 132
6.3.3 KOHLEKRAFTWERKE 132
6.3.4 OLKRAFTWERKE 132
6.3.5 KERNENERGIE 132
6.3.6 CCS-TECHNOLOGIEN 132
6.4 TECHNISCHE RAHMENDATEN FUR NEUBAUOPTIONEN 133
6.5 PROGNOSE DER RAHMENBEDINGUNGEN IM UMFELD DER STROMERZEUGUNG 137
6.5.1 BRENNSTOFFPREISE 137
6.5.2 PROGNOSE DER C02-ZERTIFIKATSPREISE UND ENTSORGUNGSKOSTEN 138 6.5.3
PROGNOSE DER STROMNACHFRAGE 139
6.5.4 PROGNOSE DER GESETZTEN EINSPEISUNG 139
IMAGE 3
INHALT 5
6.6 SONSTIGE RAHMENBEDINGUNGEN FUR DIE BEISPIELRECHNUNGEN 143 6.6.1
BEGRENZUNG DES JAHRLICHEN ZUBAUS AN KRAFTWERKEN UND SPEICHERN 143
6.6.2 VERSTROMUNG AUS BRAUNKOHLE 144
6.6.3 VERSORGUNGSZUVERLASSIGKEIT 145
7 BEISPIELRECHNUNG - SZENARIO STANDARD 146
7.1 EINFUHRUNG 146
7.2 ANNAHMEN IM SZENARIO STANDARD 146
7.3 ZUBAU AN KRAFTWERKEN 147
7.4 ENTWICKLUNG DER INSTALLIERTEN LEISTUNG THERMISCHER KRAFTWERKE 148
7.5 ENTWICKLUNG DER STROMERZEUGUNG 149
7.6 ENTWICKLUNG DER CCFE-EMISSIONEN 150
7.7 AUSBAU DER SPEICHERTECHNOLOGIEN 151
7.7.1 INSTALLIERTE LADELEISTUNG 151
7.7.2 INSTALLIERTE ENTLADELEISTUNG 152
7.7.3 INSTALLIERTE SPEICHERKAPAZITAT 153
7.8 NICHT INTEGRIERBARE ERZEUGUNG AUS ERNEUERBAREN ENERGIEN UND KWK 156
7.9 ENTWICKLUNG DER KOSTEN FUR DIE STROMBEREITSTELLUNG 157
7.10 EINFLUSS DER BEHANDLUNG DER ZUVERLASSIGKEIT VON SPEICHERN 159
8 PARAMETERVARIATIONEN 162
8.1 VARIATION DER INVESTITIONSBEDINGUNGEN FUR SPEICHER 163
8.1.1 AUSBAU DER SPEICHER IM JAHR 2050 163
8.1.2 VERGLEICH DER NICHT INTEGRIERBAREN ERZEUGUNG 166
8.1.3 ZWISCHENFAZIT 167
8.2 VARIATIONEN IM KRAFTWERKSAUSBAU UND KERNENERGIEAUSSTIEG 168 8.2.1
ENTWICKLUNG DER INSTALLIERTEN LEISTUNG 168
8.2.2 ENTWICKLUNG DER STROMERZEUGUNG 169
8.2.3 VERGLEICH DES SPEICHERAUSBAUS 170
8.2.4 ZWISCHENFAZIT 173
8.3 VARIATION DER NOTWENDIGEN THERMISCHEN LEISTUNG FUR DIE
SYSTEMSTABILITAT....174
8.3.1 VERGLEICH DER NICHT INTEGRIERBAREN ERZEUGUNG 174
8.3.2 VERGLEICH DES SPEICHERAUSBAUS 175
8.3.3 ZWISCHENFAZIT 178
8.4 EXPORTMOGLICHKEIT DES ERZEUGUNGSUBERSCHUSSES 179
8.4.1 VERGLEICH DER NICHT INTEGRIERBAREN ERZEUGUNG 180
8.4.2 VERGLEICH DES SPEICHERAUSBAUS 181
8.4.3 ZWISCHENFAZIT 183
8.5 VERGLEICH TECHNOLOGISCHER BESCHRANKUNGEN BEIM SPEICHERAUSBAU 184
8.5.1 VERGLEICH DES SPEICHERAUSBAUS 184
IMAGE 4
6
INHALT
8.5.2 VERGLEICH DER NICHT INTEGRIERBAREN ERZEUGUNG 186
8.5.3 VERGLEICH DES MITTLEREN NUTZUNGSGRADES DER SPEICHERUNG 187 8.5.4
ZWISCHENFAZIT 188
8.6 GESAMTVERGLEICH DER WESENTLICHEN GROGEN ALLER PARAMETERVARIATIONEN
189
8.6.1 AUSBAU DER SPEICHERTECHNOLOGIEN 189
8.6.2 INTEGRATION ERNEUERBARER ENERGIEN DURCH SPEICHERAUSBAU 191 8.6.2.1
NICHT INTEGRIERBARE GESETZTE EINSPEISUNG 191
8.6.2.2 NUTZBARER ANTEIL AN INTEGRIERTER GESETZTER EINSPEISUNG 191 8.6.3
EMISSIONEN THERMISCHER KRAFTWERKE IM JAHR 2050 193
8.6.4 GESAMTKOSTENVERGLEICH DER PARAMETERVARIATIONEN 194
8.7 UNSICHERHEITEN DER UNTERSUCHUNGEN 195
8.8 FAZIT DER UNTERSUCHUNGEN 201
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 202
10 ANHANG - MODULMATRIZEN 206
11 LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS 225
12 BILDVERZEICHNIS 237
13 TABELLENVERZEICHNIS 241
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