Entwicklung eines Modells zur Berechnung des Speicherbedarfs für erneuerbare Energie unter Berücksichtigung alternativer Antriebstechnologien am Beispiel von Österreich, Europa und ausgewählten Ländern

Abstract

Ein breit aufgespanntes Themenfeld hinsichtlich der zukünftigen Energiebereitstellung für alternative Antriebe stellt den Brennpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Ausgehend vom Energiebedarf des straßenbezogenen Verkehrssektors, über den Speicherbedarf bis hin zur Speicherdimensionierung und -auslegung werden alle wesentlichen Aspekte und Zusammenhänge beleuchtet. Als Basis der Prognosen dienen zwei, als getrennt zu betrachtende Berechnungsmodelle. Modellrechnungen zum Energiebedarf für beliebige Flottenzusammensetzungen und -stärken (PKW und NFZ) liefern detaillierte Daten für definierte zukünftige Szenarien. Ein weiteres Berechnungsmodell dient der Analyse und Auslegung von Energiespeichern. Jahresverläufe des Speicherfüllstandes, Leistungsanforderungen bei Ein- und Ausspeicherung sowie Ermittlungen zu Speicherverlusten und Kostenanalysen bilden die Grundlage dieses Modells. Eine beispielsweise Anwendung der genannten Berechnungsmodelle erfolgt anhand der Länder bzw. Regionen Österreich, Europa, USA, China und Japan. Je Land bzw. Region bilden drei definierte Szenarien (E-Fuel, 50/50 und 100% BEV) somit 15 umfangreiche Datensätze.Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine speicherseitige Regulierung der gesamten prognostizierten Residuallast als höchst unwahrscheinlich angenommen werden kann.Hingegen ist die Engpassleistung (maximale elektrische Dauerleistung) für die Ausspeicherung als unkritisch zu bewerten. Bei Wahrung von typischen Leistungs- und Kapazitätsbeziehungen können Energiespeicher im TWh-Bereich durchaus Lastspitzen mit einigen GW abdecken. Für Österreich ergeben sich bei Deckung des verkehrsbezogenen Energiebedarfs erforderliche Speichergrößen von 0,7 TWh (E-Fuel Szenario) bis hin zu 4,5 TWh (100% BEV Szenario) unter der Annahme das E-Fuels importiert werden. Die Ausbauanteile der erneuerbaren Energien (PV/Windkraft) zeigen einen ausgeprägten Einfluss auf die Speichergröße sowie auf die Engpassleistung. Ein optimaler Erzeugungsmix mit jährlichen Einspeiseleistungen in Verhältnis von 30/70 (PV/Windkraft) ermöglicht eine Reduktion der Speichergröße um ca. 45%. Im Szenario 100% BEV kann mit einem optimalen Erzeugungsmix von 11/26 TWh die benötigte Speichergröße von 4,5 auf 2,5 TWh vermindert werden. Ebenso ist die Herabsetzung der Engpassleistung von 8 auf 6 GW durch eine optimale Erzeugungsstruktur möglich.

A broad range of topics concerning the future energy supply for alternative propulsion systems is the focus of this study. Starting from the energy demand of the road-related transport sector, via the storage demand up to the storage dimensioning and design, all essential aspects and interrelationships are illuminated. The forecasts are based on two calculation models that are to be considered separately. Model calculations of the energy demand for any fleet composition and strength (car and truck) provide detailed data for defined future scenarios. Another calculation model is used for the analysis and design of energy storage systems. Annual SOC curves, performance requirements for storage and retrieval, as well as calculations of storage losses and cost analyses form the basis of this model. For example, the calculation models mentioned are applied to the countries and regions of Austria, Europe, the USA, China and Japan. For each country or region, three defined scenarios (e-fuel, 50/50 and 100% BEV) thus form 15 extensive data sets.The results clearly show that storage-side regulation of the entire forecast residual load can be assumed to be highly unlikely. On the other hand, the maximum continuous power output for retrieval can be assessed as uncritical. If typical performance and capacity relationships are maintained, energy storage facilities in the TWh-range can certainly cover load peaks with several GW.For Austria, covering the transport-related energy demand results in storage sizes of 0.7 TWh (e-fuel) up to 4.5 TWh (100% BEV) under the assumption that e-fuels are imported. The expansion shares of renewable energies (pv/wind power) show a pronounced influence on the storage size as well as on the maximum continuous power output for retrieval. An optimal generation mix with annual feed-in capacities in a ratio of 30/70 (pv/wind power) enables a reduction of the storage size by approx. 45%. In the 100% BEV scenario, the required storage size can be reduced from 4.5 to 2.5 TWh with an optimal generation mix of 11/26 TWh. Likewise, the reduction of the maximum continuous power output for retrieval from 8 to 6 GW is possible through an optimal power generation mix.