SDG_07_Option_07_03_20231119_182356.txt

Optionen
und
Maßnahmen
Österreichs Handlungsoptionen
zur Umsetzung
der UN-Agenda 2030
für eine lebenswerte Zukunft.
UniNEtZ –
Universitäten und Nachhaltige
Entwicklungsziele
Optionen und Maßnahmen1
07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch
07_03
Target 7.1Autor_innen:
Lachner, Elisabeth (Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl
für Energieverbundtechnik); Prieler, Manuela (Energiein –
stitut an der Johannes-Kepler-Universität); Steinmüller,
Horst (Energieinstitut an der Johannes-Kepler-Universi –
tät); Kienberger, Thomas (Montanuniversität Leoben,
Lehrstuhl für Energieverbundtechnik)Infrastruktur zum zeitlichen und räum –
lichen Ausgleich von Energieerzeugung
und -verbrauch
23 Abbildungsverzeichnis
4 07_03 .1 Ziele der Option
5 07_03.2 Hintergrund der Option
8 07_03.3 Optionenbeschreibung
8 07_03.3.1 Beschreibung der Option bzw. der zugehörigen Maßnahmen
bzw. Maßnahmenkombinationen
12 07_03.3.2 Erwartete Wirkungsweise
12 07_03.3.3 Bisherige Erfahrungen mit dieser Option oder ähnlichen Optionen
13 07_03.3.4 Zeithorizont der Wirksamkeit
13 07_03.3.5 Vergleich mit anderen Optionen,
mit denen das Ziel erreicht werden kann
14 LiteraturInhalt
Optionen und Maßnahmen3Abbildungsverzeichnis
Abb. O_7.03_1 : Eignung
verschiedener Speicher –
typen nach Anwendung.
Quelle: Stadler (2014).
// Fig. O_7.03_ 1 : Utility
of various storage types
by application. Source:
Stadler (2014).6
07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch
07_03 .1 Ziele der Option
Die Versorgungssicherheit und -qualität des öster –
reichischen Strom- bzw. Gasnetzes weist im internationalen Vergleich ein sehr
hohes Niveau auf, wie die Ausfall- und Störungsstatistik zeigt (e-control, 2020). Die
entsprechenden Indikatoren der Vereinten Nationen (UN) der Statistik Austria (7.1.1
und 7.1.2) beschreiben den Anteil der Bevölkerung mit Zugang zu Elektrizität und
zu sauberer Energie und gehen von einer Erfüllung der Vorgaben aus (Statistik
Austria, 2018; e-control, 2020). Dieses Niveau soll erhalten bleiben, auch wenn
die Volatilität der erneuerbaren Energien abgefedert werden muss. Zum Lücken –
schluss in der Erzeugung müssen zuerst Speicher, in der längeren Frist aber auch
Gas-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) eingesetzt werden. Als Energieträger
ist in diesen Fällen erneuerbar erzeugtes Gas (H2, CH4) vorzusehen.
Die Herausforderung bei erneuerbaren Energiequellen
besteht darin, dass die Energieerzeugungspfade mit den größten Potentialen fast
ausschließlich ins Stromnetz einspeisen. In diesem Netz bestehen allerdings ver –
glichen mit anderen netzgebundenen Energieträgern die strengsten Einschränkun –
gen zur Netzstabilität, sodass zeitliche Schwankungen hier zu einem hohen Bedarf
an Regelung führen. Die erzeugte Energie soll gleichzeitig nicht als Überschuss
abgeregelt und verworfen, sondern möglichst vollständig genutzt werden.
Zur Erhaltung der Stabilität im Stromnetz gibt es die
Möglichkeit von Investitionen, z. B. in Netze und Speicher, etwa von staatlicher
Seite oder mit der Setzung entsprechender Rahmenbedingungen durch rechtliche
Rahmensetzung oder Bewusstseinsbildung, damit wegweisende Maßnahmen in
Abstimmung mit der breiten Bevölkerung durchgeführt werden können.
Eine Einbindung des Gasnetzes über Power-to-Gas
(PtG) wird in vielen Initiativen beforscht und ist bei einem hohen Anteil erneuerbar
erzeugter Energie zum Ausgleich der saisonalen Schwankung eine zentrale Strate –
gie (Jentsch, 2015; Rasmussen, Andresen & Greiner, 2012). Aus dem Vergleich der
Wirkungsgradverluste verschiedener synthetisch erzeugter Gase soll hier vor allem
auf grünen Wasserstoff gesetzt werden.
Die derzeitige Bedarfsstruktur im Jahresverbrauch
von Erdgas hat einen Grundlastsockel, der primär für Prozessenergie aufgewen –
det wird und rund 5 TWh/Monat beträgt. Zusätzlich zeigt der Erdgasbedarf eine
‚Badewannenkurve‘, dies lässt auf Heizwärmeanwendungen schließen (e-control,
2020). Ein weiterer Punkt, der für die Entlastung der Stromnetze spricht, ist, die
Wärmenetze stärker ausbauen und Erzeugungsspitzen des Stromsektors mittels
Power-to-Heat einzusetzen. Sofern strombetriebene Wärmepumpen auf Basis von
Umgebungswärme eingesetzt werden, erhöht dies die Gesamteffizienz der Wärme –
anwendungen im Niedertemperaturbereich und verringert den Endenergiebedarf in
Österreich, vor allem beim Bedarf von Erdgas.
Die Flexibilitätsoptionen der Lastverschiebungen über
demand side management (DSM), z. B. bei industriellen Verbraucher_innen, ist
ein weiterer Bestandteil der Strategie (Blasques & Pinho, 2012; Österreichische
Akademie der Wissenschaften, Institut für Technikfolgenabschätzung & Austrian
Institute of Technology., 2019; Palensky & Dietrich, 2011; Wietschel, Ullrich, Marke –
witz, Schulte & Genoese , 2015).
Ein rechtzeitiger Ausbau von Stromnetzen und Kop –
pelungsoptionen zu multivalenten Systemen vermeidet Potentialverluste durch
Abregelung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen und verringert z. T. CO2
intensive Redispatch -Maßnahmen und damit finanzielle Verluste durch Fehlinves –
4
Optionen und Maßnahmentitionen. Zudem dienen Investitionen in die Netzinfrastruktur der Sicherstellung
der Versorgungssicherheit. Diese stellt eine essentielle Randbedingung für einen
zukunftsfähigen Wirtschaftsstandort Österreich dar.
Zu einer zukunftsfähigen Infrastrukturstrategie ist
neben der Betrachtung des Einflusses der genannten Energieträger, -quellen und
-verbraucher_innen und dem Import nachhaltiger Energieträger auch die Berück –
sichtigung von Geothermie, biogener Gase als Energiequellen, Wasserstoff und
methanisierten Wasserstoff als zukünftiger Energieträger sowie Veränderungen
beim Energieträgerbedarf sowie Verschiebungen beim Endenergieträgermix in
allen Sektoren notwendig. Die Erzeugung der verschiedenen Energieträger wird in
Option 7.1 untersucht.
07_03 .2 Hintergrund der Option
Erneuerbare Energiequellen mit großem Potential lie –
fern fast ausschließlich Strom, ihre Volatilität kann im Stromnetz nicht ausschließ –
lich durch großräumige Transmission abgepuffert werden: Tagesschwankung und
saisonale Schwankung in der Erzeugung werden ins Stromnetz eingespeist. Diese
Schwankungen treten im gesamten europäischen Stromnetz gleichzeitig auf, so –
dass selbst bei einem perfekt ausgebauten Netz kein Ausgleich geschaffen werden
kann. Diese Schwankung ist durch eine Anpassung des aktuellen Verbrauchs oder
mit Speichern unterschiedlicher Technologien auszugleichen und nach Möglichkeit
in bestehende Netze umzuverteilen. Gas- und Wärmenetze sind hier eine Möglich –
keit. Auch die Mobilität, vor allem E-Mobilität, könnten hier genutzt werden. Zudem
zeigt sich eine Entwicklung hin zu einer dezentralen Energieerzeugung mittels
Photovoltaik (PV) und Windkraft.
Als eine dieser Strategien können bereits jetzt auf –
grund kurzer Anfahrzeiten Gas- und Dampf- (GuD) Kraftwerke bei Angebotseng –
pässen eingesetzt werden. Diese sollen langfristig auf erneuerbares Gas umge –
stellt werden und in Nah- bzw. Fernwärme eingebunden werden.
Die genannten infrastrukturellen Herausforderungen
sind im Hinblick einer verstärkt dezentralen Energieerzeugung zu lösen. Auf –
grund sinkender Stückkosten bzw. einem verstärkten Klimabewusstsein sollen
zukünftig viele bereits versiegelte Flächen für PV-Stromerzeugung genutzt werden,
z. B. Dach- und Fassadenflächen. Solche PV-Anlagen speisen in der Regel in
die Niederspannungsebene ein. Für einen stabilen Netzparallelbetrieb müssen
Regelungsstrategien, z. B. zur Spannungshaltung, eingesetzt werden. Residuallas –
ten1, die nicht über lokale (Kurzzeit-)Stromspeicher ausgeglichen werden, werden
zwangsweise in höhere Netzebenen gelangen. Dort sind geeignete Strategien für
deren Ausgleich anzuwenden.
Abb. O_7.03_1 fasst aktuelle Speichertechnologie
zusammen und zeigt klar auf, dass nur über die Kopplung unterschiedlicher Netz –
systeme ein Ausgleich zwischen Verbrauch und zukünftiger, verstärkt volatiler
Erzeugung erfolgen kann.
51 Residuallast ist die Differenz zwischen Einspeisung und Abnahme von Strom ins Netz, eine
positive Residuallast entspricht daher einem nicht gedeckten Bedarf.
07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch
Im Stromnetz besteht aktuell ein guter Standard
hinsichtlich der Versorgungssicherheit, der sich im Ländervergleich sowohl in der
Ausfallhäufigkeit als auch der -dauer zeigt ( Average System Interruption Duration
Index [e-control Störstatistik]). Der Wiederbeschaffungswert der höchsten drei
Netzebenen des österreichischen Stromnetzes liegt bei rund 3 Mrd. Euro (Frohner,
2020). Elektrische Netze sind ein volkswirtschaftlich relevanter Faktor. Die konkre –
ten Daten lauten:
„Das österreichische Stromnetz umfasst 258.907 km
Systemlänge und ist in mehrere Netzebenen unterteilt. Den größten Anteil nimmt
mit 66,4 Prozent (171.892 km) des gesamten Leitungsnetzes die Niederspannungs –
ebene (kleiner als 1 kV) ein. Über diese Netzebene werden beispielsweise Haus –
haltskunden mit Strom versorgt. Weitere 31 Prozent (80.287 km) des Stromnetzes
entfallen auf die Mittel- und Hochspannungsebene (1kV bis 110 kV), wo die Ver –
sorgung größerer Abnehmer und bereits teilweise die Einspeisung von Strom über
Kraftwerke erfolgt. Diese Netze müssen laufend gewartet und überprüft werden.“
(Oesterreichs Energie, 2017)
In Höchst- und Hochspannungsnetzen dominieren
Freileitungen. Insbesondere im 380kV-System (Höchstspannung) sind erdverlegte
Kabelstrecken derzeit statistisch vernachlässigbar. Ab der Mittelspannung über –
wiegen Kabelstrecken. Die Frequenz-Leistungsregelung erfolgt durch den bzw. die
Übertragungsnetzbetreiber_in, diese wird durch Ausschreibung der Regelenergie
sichergestellt und bei Abruf durch Unternehmen erbracht.
6
Abb. O_7.03_1 : Eignung
verschiedener Speichertypen
nach Anwendung. Quelle: Stadler,
2014. // Fig. O_7.03_ 1 : Utility of various
storage types by application.
Source: Stadler, 2014
Optionen und MaßnahmenIn einer Transition der Erzeugungsstruktur ergibt sich
ein veränderter Bedarf an Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch: „Bis
zu einem Erneuerbare-Energien-Anteil von ca. 60 % überwiegt der räumliche
Ausgleichsbedarf; bei höherem Erneuerbare-Energien-Anteil nimmt der zeitliche
Ausgleichsbedarf deutlich zu – ein Langzeit-Ausgleichsbedarf besteht erst bei sehr
hohem Erneuerbare-Energien-Anteil oder bei deutlich verzögertem Netzausbau.“
(Jentsch, 2015). Dieser Ausgleich kann in unterschiedlichen Strategien bewältigt
werden. In jedem Fall ist der Netzausbau bei Ausbau des erneuerbare-Energien-
Potentials unerlässlich. Auch im europaweiten Stromnetz ist die Transmission zum
Ausgleich der Residuallasten2 zu betrachten.
In der regionalen Perspektive bei Anwendung von
Sektorkopplung besteht eine Herausforderung im Stromtransport hin zu Gas- und
Wärmeverbrauchern und -speichern.
Auch im Gasnetz findet sich ein sehr guter Standard –
die entsprechende EU-Richtlinie wird klar erfüllt (VERORDNUNG (EU) 2017/1938
DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über Maßnahmen zur Ge –
währleistung der sicheren Gasversorgung und zur Aufhebung der Verordnung (EU)
Nr. 994/2010, 2017). Dennoch stellt man ein historisch gewachsenes Ost-West-
Gefälle im Ausbau fest (Aissi, 2019)3. Der Infrastrukturstandard 132 % bedeutet:
Sollte der größte Infrastrukturpunkt ausfallen, kann immer noch 132 % des Bedarfs
gedeckt werden (n-1-Regel) gemäß Versorgungssicherheits-Verordnung (SoS VO)
nach der Verordnung (EU) 2017/1938. Als Flexibilitätsoption für das dekarbonisier –
te Energiesystem der Zukunft ist die Erzeugung von grünem Gas notwendig. Da
auch für den Fall einer sogenannten Dunkelflaute (eine längere Phase der deutlich
zu geringen Verfügbarkeit von Strom aus Windkraft und PV) Maßnahmen zu treffen
sind, soll die bestehende Infrastruktur von Gas- und Dampfkraftwerken genutzt
werden. Bereits jetzt können aufgrund kurzer Anfahrzeiten GuD-Kraftwerke bei
Angebotsengpässen eingesetzt werden. Diese sollen langfristig auf erneuerbares
Gas umgestellt werden. Für die Anwendung von grünem Gas in Kraftwerken und
im Gasnetz sind die technischen Grenzen der H2-Beimischung zu ermitteln.
Die Gasspeicher sind ausreichend für Winterbedarf,
beim aktuellen Durchschnittsverbrauch kann auch der Ganzjahresbedarf aus dem
Speichervolumen gedeckt werden (Aissi, 2019).
25 % aller Haushalte werden derzeit mit Fernwärme
versorgt, der energetische Anteil von Fernwärme beim Wärmebedarf der Haushalte
liegt jedoch bei rund 17 % (Statistik Austria, 2021). 2018 wurden 46 %, mit holz –
basierter Biomasse aufgebracht (Fachverband der Gas- und Wärmeversorgungs –
unternehmungen, 2018). Neben den Fernwärmenetzen im urbanen Bereich gibt es
auch kleinere Netze, sogenannte Nahwärmenetze. Als Quelle der Wärme soll im
Sinne der Energieeffizienz auch die industrielle Abwärme genutzt werden: Indust –
rieprozesse mit unvermeidbaren, relevanten und gut fassbaren Abwärmeströmen
sollen durch exergetische Nachnutzung ins Wärmenetz eingebunden werden. Auch
der Einsatz von Wärmepumpen kann in diesem Zusammenhang verstärkt werden.
72 Eine Residuallast ist die Differenz zwischen Energieverbrauch und -erzeugung. Ist der Verbrauch
größer als die Erzeugung, spricht man von einer positiven Residuallast.
3 15 Projekte zur Kapazitätserhöhung geplant, siehe S. 73.
07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch
07_03 .3 Optionenbeschreibung
07_03.3.1 Beschreibung der Option
bzw. der zugehörigen Maßnahmen
bzw. Maßnahmenkombinationen
−Setzen von Rahmenbedingungen (technologieoffen);
−Investitionen in Netze;
−Sektorkopplung: Power-to-Gas , Wärmepumpen;
−Anerkennung von erneuerbarem Gas als Biokraftstoff oder als Energiespeicher;
−Lastmanagement (DSM);
−Anschubfinanzierung für Speicher in verschiedenen Energieformen: Erweiterung
der Pumpspeicherkraftwerke, Großbatterien, Wärme, Elektromobilität.
Da die technischen Maßnahmen stark ineinandergrei –
fen und voneinander abhängig sind, sind die Rahmenbedingungen technologieoffen
zu gestalten. Als Netze sollen hier Strom-, Gas- und Wärmenetze betrachtet werden.
Diese Option ist als einer der drei Teile zu betrachten,
die zusammen die Dekarbonisierung des Energiesektors beschreiben. Die beiden
anderen Teile befassen sich mit Erzeugung erneuerbarer Energie und der Erhö –
hung der Effizienz und sind in Option 7_01 bzw. Option 7_02 beschrieben.
NETZAUSBAU/TRANSMISSION
Dieser Absatz beschäftigt sich vorrangig mit Strom-, Gas- und Wärmenetzen.
Im Stromsektor wird der Ausgleich zwischen Erzeu –
gung und Verbrauch, die vorrangig regional divergieren, über das Netz geregelt.
Der Ausbau internationaler Transmissionsstrecken verringert dadurch den Bedarf
an (Kurzzeit-)Speichern (Schlachtberger, Brown, Schramm, & Greiner, 2017). Der
Bedarf an heizwärmebedingter Energie kann durch Effizienzbemühungen im Ge –
bäudebereich verringert werden. Die saisonale Differenz der Residuallast muss
dennoch über Speicher geregelt werden.
Langwierige Planungs- und Genehmigungsverfahren
verzögern derzeit den Ausbau der Stromnetze (auf europäischer und österreichi –
scher Ebene). Um Versorgungssicherheit zu gewährleisten, müssen neue Trans –
portleitungen gebaut und gleichzeitig Anreize für einen lokalen CO2-freundlichen
Energieausgleich geschaffen werden (Aissi, 2019; Austrian Power Grid, 2018).
Außerdem muss das Marktdesign der verstärkten erneuerbaren Einspeisung ange –
passt werden, um Anreize für Flexibilität zu verstärken. Dies gilt sowohl im dezent –
ralen Bereich als auch für zentrale Flexibilitätsbereitsteller. Ein geeignetes Strom-
Marktdesign ist ein notweniger Treiber für jegliche Sektorenkopplungen und muss
netzdienliche Komponenten enthalten, um tatsächlich Stromnetzentlastungen zu
erreichen. Wird diese Netzdienlichkeit vernachlässigt und z. B. Börsenpreise über
flexible Tarife dynamisch an eine große Anzahl von Endkund_innen weitergegeben,
besteht die Gefahr großer Gleichzeitigkeitsfaktoren. Dies kann dazu führen, dass
zusätzliche Netzengpässe, insbesondere in den niederen Spannungsebenen, er –
zeugt werden. Geringerer Energiebezug in der Heizperiode durch energieeffiziente
Gebäudemodernisierung und energieeffizientere Neubauten führen zu saisonaler
Netzentlastung, welche ebenfalls im Sinne der Netzdienlichkeit zu honorieren sind,
weil sie zur Reduktion kostenintensiver saisonaler Speicherlösungen beitragen.
8
Optionen und MaßnahmenGasnetze sollen als saisonale Ausgleichsoption mit
nachhaltig erzeugtem Gas anstatt Gas aus fossilen Quellen dienen. Hier wird in
Zukunft ein geringerer Bedarf erwartet, da einerseits die gesamte Gasmenge fallen
wird, andererseits viele Anwendungen wie Kleinfeuerungsanlagen auf andere
Energieträger umgesetzt werden. Es sollte eine schrittweise Reduktion des Gas –
netzes weg von Kleinkund_innen erfolgen, damit das Gasnetz eines Tages nur
mehr die Kapazitäten trägt, die aufgrund der Verfügbarkeit von grünem Gas oder
PtG vorhanden sind. Dieses mit hohen Kosten erzeugte Gas soll dann nur noch in
Kraft-Wärmekopplung und nicht mehr zu reiner Heizanwendung eingesetzt werden.
Der Standard der Leitungen in den Gasnetzen ist der –
zeit sehr hoch, die zulässige Menge an H2 im Gasgemisch ist aber anzupassen,
also zu erhöhen. Hier sind regulatorische, aber auch technologische Anpassungen
vorzunehmen. Dafür muss die Technologie der bestehenden Verbraucher_innen –
anlagen bedacht werden. Insbesondere Anlagen im industriellen Bereich, bzw. Ver –
dichter- und Turbinenanlagen, sind zu adaptieren. Für die Entlastung des Strom –
netzes sind an neuralgischen Punkten PtG-Anlagen einzusetzen, hier muss häufig
die Infrastruktur sowohl auf der Stromnetzseite (z. B. durch Hochspannungsstich –
leitungen zu PtG-Anlagen) als auch durch Anschluss ans Gasnetz unter Einsatz
von Kompressoren u. ä. errichtet werden (Schenuit, Heuke & Paschke, 2016).
Wärmenetze können zur Nutzung von KWK- und in –
dustrieller Abwärme, von Power-to-Heat sowie von Geothermie eingesetzt werden.
Auf geringe Netzverluste ist zu achten. Hier kann zum Beispiel die Absenkung
der Vorlauftemperatur im Wärmenetz angepasst werden. Darüber hinaus ist die
derzeit verbaute Dämmstärke der Leitungen nicht mehr zeitgemäß, alle künftig
verbauten Leitungen sollten mit deutlich verbesserter Wärmedämmung ausgeführt
werden. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der zu erwartenden geringeren
Energiedichten der zu versorgenden Gebiete von Bedeutung, weil sowohl Gebäu –
debestand als auch Neubau in besserem Standard ausgeführt bzw. saniert werden.
Die Dimensionierung der Fernwärmeleitungen ist vorausschauend der zu erwarten –
den sinkenden Energiedichte zu planen und zu errichten. Dies ist selbst dann der
Fall, wenn Siedlungsstrukturen durch Nachverdichtung flächenspezifisch intensi –
ver genutzt werden, weil die Nachverdichtung durch die bessere Energieeffizienz
gegenüber der Bestandsgebäude überkompensiert wird. Derzeit werden Fernwär –
menetze noch immer auf die potenzielle Vollversorgung der Bestandswärmelast
ausgelegt. Gehen die Nachrüstung der Fernwärmeanschlüsse und die energeti –
sche Sanierung simultan vonstatten, so ist diese Überdimensionierung zu keinem
Zeitpunkt erforderlich. Damit werden überdimensionierte und stark verlustbehaftete
Netze vermieden. Ein weiterer Punkt ist, die Monopolstellung der Wärmeversor –
ger_innen zu kontrollieren, da die Abnehmer_innen normalerweise nicht den an –
bietenden Dienst wechseln können. Die Tarifstruktur der Fernwärmeanbieter ist so
zu gestalten, dass sparsame Verbraucher_innen durch geringe Fixkosten belohnt,
hohe Verbräuche aber durch hohe Energiebezugskosten ‚bestraft‘ werden. Die
derzeitige Tarifstruktur ist in dieser Hinsicht kontraproduktiv, weil sie keine Anreize
für Energieeffizienz bietet, die Fernwärme also für sparsame Siedlungsstrukturen
unattraktiv macht. Zukünftig sind im Wärmebereich auch Wärmeübertragungs –
netze, ähnlich denen im Gas- und Strombereich angedacht. Dies ermöglicht den
Transport insbesondere industrieller Abwärme in Richtung bevölkerungsdichter
Ballungsräume (Schmidt, Tichler, Amann, Schindler, 2015). Erste Priorität hat je –
doch immer die Vermeidung von Abwärme und nicht deren Verteilung in Nah- bzw.
Fernwärme. Diese sollte tatsächlich nur auf unvermeidliche Restwärme vorbehal –
ten sein, um carbon lock-in -Effekte zu vermeiden.
9
07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch
SPEICHERUNG
In Bezug auf Kurzzeitspeicherung zur Aufnahme von
negativen Residuallasten sind alle thermischen Massen und Warmwasserspeicher
in Wohn- und Nichtwohnbauten zu priorisieren, weil sie hinsichtlich der Wirt –
schaftlichkeit in absehbarer Zeit den Batteriespeichern noch weit überlegen sind.
Pumpspeicherkraftwerke können mit hohem Wirkungsgrad bei hoher Anzahl von
jährlichen Be- und Entladezyklen sehr wirtschaftlich arbeiten.
Stromspeicher in Form von Batterie- und Akkumulato –
renspeichern können als Tagesspeicher im dezentralen Bereich eingesetzt werden,
vor allem auf Nieder- und Mittelspannungsebene zum Ausgleich im Zeitbereich von
Stunden (Berger, 2017). Fallende Anschaffungspreise erhöhen hier die Wirtschaft –
lichkeit (eia – US Energy Information Administration, 2020), aber auch staatliche
Beihilfen können hier zu einem Schub im Ausbau sorgen. Für diese Beihilfen ist zu
berücksichtigen, dass es verschiedene Größen der Batteriespeicher gibt, dass sie
privat oder von Unternehmen finanziert sein können und dass sie in verschiedenen
Betriebsweisen verwendet werden können (Haber, 2020). Zu bevorzugen ist die
Regelung des Speicherbetriebs in einer netzdienlichen Weise.
Österreich weist in Relation zu seinem Gasbedarf
europaweit die größten Gasspeicherkapazitäten auf (Aissi, 2019) . Die verfügbare
Gesamtkapazität wird ständig erweitert und kann im Moment den aktuellen Jahres –
bedarf vorhalten (Fachverband der Gas- und Wärmeversorgungsunternehmungen,
2018). Eine zukünftige Verschiebung des Primärenergiebedarfs von Gas auf andere
Energieträger stellt eine Herausforderung dar, da eine Umwandlung von Strom zu
Gas einerseits mit einem verringerten Wirkungsgrad einhergeht, andererseits der
Aufbau von insbesondere saisonalen Stromspeichern aus mehrerlei Hinsicht sich
nicht als zielführend darstellt. Ein übermäßiger Ausbau von Pumpspeicherkraftwer –
ken ist aus Potentialüberlegungen (Verhältnis zum Bedarf) nicht im Fokus und – wie
bei Wasserkraft oftmals gegeben – durch Umweltschutzüberlegungen beschränkt.
Als Kurzzeitspeicher sind diese, wie bereits erwähnt, hochwirtschaftlich, aber als
Saisonalspeicher, also für jährlich einmalige Be-bzw. Entladung, unwirtschaftlich.
Andere Speichertechnologien (z. B. Druckluftspeicher, Batteriespeicher mit saiso –
naler Kapazität, etc.) sind technisch oder techno-ökonomisch nicht darstellbar. Als
Speicheroption mit geringem Einsatz an seltenen Erden und weiterem Metall bieten
sich Druckluftspeicher an. Hier können vorhandene geologische Kavitäten, z. B. be –
stehende Bunker- und Kavernenanlagen genutzt werden. Diese Technologie bietet
hohe Kapazitäten bei vergleichsweise geringen Kosten (Gahleitner, 2013; Wietschel
et al., 2015). Allerdings sind die Be- bzw. Entladewirkungsgrade äußerst gering.
In der Speicherung von Wasserstoff aus PtG-Anlagen
gibt es abhängig von der Anwendung verschiedene Möglichkeiten: Für geringe
Kapazitäten, wie sie beispielsweise für Mobilitätsanwendungen benötigt werden,
bieten sich auch auf lange Sicht Metallhydride oder Hochdrucktanks an (Verkehrs –
club Österreich (VCÖ), 2020), größere und langfristige Kapazitäten können mit
Untergrundspeichern für Wasserstoff in geologischen Formationen (insbesondere
Porenspeicher) realisiert werden.
Als Infrastruktur zur Umwandlung, Verteilung und
Speicherung sind Anlagen wie Kompressoren, Leitungen und/oder Einspeisestatio –
nen aufzubauen. Die Entscheidung, ob mehrere dezentrale oder wenige zentrale
Umwandlungsanlagen sinnvoll sind, ist im konkreten Einzelfall z. B. durch Model –
lierung und Simulation zu entscheiden (Mahnke & Mühlenhoff, 2012; ÖAW et al.,
2019).
10
Optionen und MaßnahmenIn Bereichen mit Fernwärmenetzen können je nach
geologischen Gegebenheiten auch unterirdische bzw. geologische Wärmespeicher
für saisonale Wärmevorhaltung zukünftig zum Einsatz kommen. In Österreich sind
derzeit keine saisonalen bzw. langfristigen Wärmespeicher realisiert. Generell ist
anzumerken, dass die volumenbezogenen Baukosten mit ansteigender Kapazität
des Speichers sinken, größere Speicher also aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten
anzustreben sind.
SEKTORKOPPLUNG
Um die erzeugte elektrische Energie über Zeiträume
im Bereich von Monaten speichern zu können, ist wie erwähnt eine Umwandlung
in andere Energieträger notwendig. Der Umwandlungspfad, der zum größten ver –
fügbaren Speichervolumen führt, ist der des PtG. Hier wird durch Elektrolyse H2
erzeugt, das heute in einem Volumenanteil von <4 % ins Erdgasnetz eingespeist werden kann, wobei die technischen Voraussetzungen auch höhere Anteile ermög - lichen würden. Andererseits kann der Wasserstoff auch als reines Gas gespeichert und für Anwendungen eingesetzt werden. Mobilität, wasserstoffbetriebene Indust - rieprozesse und Rückverstromung in Brennstoffzellen sind hier nur Beispiele. Der derzeitige Anteil von Wasserstoff aus der Elektrolyse liegt bei 2 % der Wasserstoff - produktion. Der Wirkungsgrad der Produktion von H2 über die Elek - trolyseroute liegt je nach verwendeter Technologie bei ca. 52 %. In der Rückverstro - mung sind weitere Wirkungsgradverluste von ca. 50 % zu erwarten. (VCÖ, 2020) Um Wasserstoff-Mischgrenzen nicht zu verletzen, kann H2 in Verbindung mit CO2 zu Substitute Natural Gas (SNG) methanisiert wer - den. Neben den dabei auftretenden Wirkungsgradverlusten ist die Frage der CO2- Quelle entscheidend. Um den apparativen Aufwand der CO2-Bereitstellung gering zu halten, bieten sich u. a. Biogas oder Industriegase mit hohem CO2-Partialdruck an. Die gespeicherten Gase können dann wieder KWK-Anlagen zugeführt werden, um Bedarfsspitzen zu bedienen. Als Nebennutzen entsteht bei der Herstellung des Gases auch Sauerstoff aus der Elektrolyse sowie auftretende Abwärme. SNG ist für die saisonale Speicherung gegenüber reinem Wasserstoff aufgrund der gerin - gen Kosten für bereits verfügbare Speichervolumina zu bevorzugen. Auch im Bereich der erneuerbaren Gase sind regula - torische Voraussetzungen wichtig, wie die Anerkennung als Biokraftstoff oder als Energiespeicher, um z. B. kurzfristige, regionale Überproduktion in Gas umzuset - zen, statt die Produktion abzuregeln oder das Netz zu entlasten (Austrian Institute of Technology (AIT), 2018). Die Umwandlung erneuerbar erzeugten Stroms in H2 oder SNG zeigt das Potential, durch Skaleneffekte ökonomischer zu werden. Hier können Investitionen im Mobilitätssektor wie z. B. durch wasserstoffbetriebene Öf - fis oder mit Biomethan betriebene LKW die Nachfrage in relevantem Maß erhöhen (IRENA, 2019; Schenuit et al., 2016; Wietschel et al., 2015). Die Entwicklung des Marktes ist hier aber zu berücksichtigen, damit z. B. Wasserstoff aus Erdgas oder durch Elektrolyse mit nicht nachhaltigem Strom nicht in einem umweltschädlichen Maß nachgefragt wird. Neben den genannten Strategien gibt es auch Power- to-Heat : Tages- und saisonale Wärmespeicher werden in Zeiten hoher Strompro - duktion aufgeheizt. Hier können etwa Wärmepumpen eingesetzt werden, oder der Einsatz erfolgt direkt mit Heizstäben aus negativer Residuallast. Letzteres führt zu hohen Verlusten an Exergie und ist daher zu vermeiden. Die räumliche Nähe zu einem Wärmenetz ist hier ein relevanter Faktor. 11 07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch 12Zur Dekarbonisierung der Energie sollte eine Umstel - lung der Mittel- und Hochtemperaturprozesse von fossilen auf elektrische Quellen erfolgen. Bei Mitteltemperatur sind Wärmepumpen bis ca. 170°C in der Entwick - lung (Jensen, Reinholdt, Markussen, & Elmegaard., 2014; Zühlsdorf, Bühler, Bantle & Elmegaard , 2019). LASTMANAGEMENT Das Stichwort der Netzeffizienz ist hier relevant – siehe Absatz zum Strommarktdesign weiter oben: Eine optimale Abstimmung zwischen der Erzeugung und dem Verbrauch in zeitlicher und räumlicher Hinsicht können den Bedarf an Speicherkapazität erheblich verringern (Blasques & Pinho, 2012; Palensky & Dietrich, 2011). Smart Grids betrachten und steuern zu diesem Zweck das Zusammenwirken von Energie- und weiteren Versorgungsnetzen. Ein geeignetes Lastmanagement auf der Verbrauchsseite ist fähig, mittels flexibler Nachfrage zu reagieren und Überangebote an Energie z. B. mit Hilfe zeitlich fle - xibler Preisgestaltung in einem Produktionsschritt umzusetzen. Zu diesem Zweck ergibt sich auch ein Bedarf an Digitalisierung, damit Prozesse ohne Qualitäts - einbußen netzdienlich gesteuert werden können. Geeignet sind hier Prozesse im industriellen Kontext ebenso wie bereits erwähnte Power to X (PtX)-Strategien. Aggregierte Betriebsführungskonzepte, z. B. virtuelle Kraftwerke, die zentral gesteuert werden, etwa mit Sammelbefehlen über Funk, können auf der Erzeugungsseite die Residuallast nivellieren (Wietschel et al., 2015). 07_03.3.2 Erwartete Wirkungsweise Durch den prophylaktischen Charakter der Maßnah - men im Hinblick auf die zukünftige Energieerzeugung, die den Stromsektor be - treffen, sollte die Stromversorgung auch in Zukunft den gleichen Standard erfüllen, bzw. dieselbe Versorgungssicherheit wie sie heute besteht, garantieren. Auch im Gassektor sind die Auswirkungen der obigen Maßnahmen als Pull -Effekt z. B. hinsichtlich der Erzeugung von erneuerbarem Gas zu erwarten. Der Effekt der Stärkung von Wärmenetzen hat auf den Alltag am meisten Auswirkungen, da hier z. B. als Ersatz noch existierender Ölheizungen durch Fernwärme Umbauten erforderlich sind. Es ist darauf zu achten, im Sinne eines Leave-no-one-behind , die Investitionen dafür sozialverträglich auf - zubringen und umzusetzen. 07_03.3.3 Bisherige Erfahrungen mit dieser Option oder ähnlichen Optionen Länder mit einem hohen Anteil an erneuerbarer Strom - produktion haben diesen derzeit hauptsächlich auf Grund eines hohen Anteils von Wasserkraft. Wasserkraft, wo vorhanden, ist als Quelle sehr zuverlässig und bietet daher keinen Anhaltspunkt zur Einschätzung der Effekte des Ausbaus von Infra - struktur, wie er in Österreich beim vorhandenen Potential notwendig ist.4 4 Zusätzlich werden zwischen den Marktgebieten die im TYNDP 2018 angenommenen Handelskapazitäten (NTC) übernommen. Voraussetzung dafür ist die planmäßige Fertigstellung der Leitungsprojekte. Für Österreich bedeutet dies die Inbetriebnahme aller im APG-Netzentwicklungsplan 2017 bzw. 2018 definierten Projekte vor 2030. Die erfolgreiche Umsetzung der geplanten Leitungsprojekte ist also als Grundvoraussetzung für die Beurteilung der nachfolgend angeführten Ergebnisse zu sehen. – Heidinger Perez Linkenheil & Huneke (2019); Österreichische Akademie der Wissenschaften et al. (2019) Optionen und Maßnahmen13Durch die weltweite Steigerung des Ausbaus an vola - tilen Erneuerbaren – bei der 2019 weltweit neu installierten Stromerzeugungskapa - zität ist der Anteil an PV-Strom führend (Kost, Schlegel & Fraunhofer ISE , 2018) – sind Ertüchtigungen der Energieinfrastruktur weltweit vorzusehen. Für Technologie made in Austria besteht daher ein enormes Exportpotential. Zur Sektorkopplung und Speicherung bestehen bereits einige Projekte (Zwischenspeicher der Zukunft, Store-Project, https://nachhaltig - wirtschaften.at/de/edz/projekte/ , www.gigates.at ). Die Technologien der Infrastruk - tur sind bereits gut erforscht, Skaleneffekte in Effizienz oder Preis sollten noch zu erzielen sein. 07_03.3.4 Zeithorizont der Wirksamkeit Langfristig Der volle Bedarf an der Ausrollung dieser Option wird mit dem endgültigen Ausstieg aus fossilen Energieträgern entstehen. Dennoch sind die Schritte zur Ertüchtigung des Energiesystems keineswegs hintanzustellen, da sonst Engpässe insbesondere im Stromnetz und Abregelungen in der Strom - erzeugung auftreten werden Zach, Auer, Lettner & Weiß, 2013)5. Dadurch können Verzögerungen im Ausbau der Erneuerbaren entstehen, die dem Erreichen der Klimaziele entgegenwirken. 07_03.3.5 Vergleich mit anderen Optionen, mit denen das Ziel erreicht werden kann Eine Verteilung der Volatilität des Stroms über Import/ Export müsste interkontinental aufgezogen werden, um die Wind- und Sonnen - stunden zu ‚verteilen‘, regionale Engpässe müssen trotzdem mit obigen Methoden bewältigt werden, da die derzeitige Methode des Redispatch mit grundlastfähigen RES nur eingeschränktes Puffervolumen bietet. Auch Import/Export wird in gewis - sem Rahmen notwendig bleiben. Dezentrale Erzeugung nur mit dezentralem Verbrauch zu kompensieren, würde folgendes bedeuten: DSM in kleinen Regionen, Methode zentraler Regelung mit Hilfe von smart meter s. Eine Regelgröße für Verbraucher_ innen über den Strompreis würde zu unfairer Bepreisung von Energie führen, da regionale Unterschiede in der Residuallast Preisdifferenzen bedingen würden. 5 z. B. im store-project , in Quelle Abb. 3: -15/+10GW und 7,6 TWh zurückgewiesener Energie im ‚GREEN‘-Szenario (Szenarien in Tab. 1 S. 8). 07_03 / Infrastruktur zum zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Energieerzeugung und verbrauch 14Literatur Aissi, S. -A. (2019). Koordinier - ter Netzentwicklungsplan 2019: für die Gas-Fernleitungsinfrastruktur in Österreich für den Zeitraum 2020 – 2029 . https://www.aggm. at/netzinformationen/netzentwi - cklungsplaene/knep [7.7.2022] Austrian Institute of Techno - logy. (2018). Technologie-Road - map Energiespeichersysteme in und aus Österreich: Eine Studie erstellt im Auftrag des Klima- und Energiefonds . Wien. https:// energieforschung.at/wp-content/ uploads/sites/11/2020/11/Techno - logie-Roadmap.pdf [7.7.2022] Austrian Power Grid (2018). Austrian Power Grid - Öffentliche Version NEP 2018: Netzentwick - lungsplan 2018 , Planungszeitraum 2019-2028. Berger, A. (2017). Batterie - speicher als neues Betriebsmittel für den Verteilernetzbetreiber im österreichischen Marktmo - dell: Positionspapier 02/2017. Technologieplattform Smart Grids Austria. https://www.smartgrids. at/files/smartgrids/Dateien/Doku - mente/Dokumente/TP%20SGA- Positionspapier_02-2017_Spei - cher%20im%20Verteilernetz.pdf [7.7.2022] Blasques, L. & Pinho, J. T. (2012). Metering systems and demand-side management models applied to hybrid renewable energy systems in micro-grid configuration. Energy Policy , 45, 721–729. https://doi.org/10.1016/j. enpol.2012.03.028 eia - US Energy Information Administration. (2020, 23. Okto - ber). Utility-scale battery storage costs decreased nearly 70% between 2015 and 2018 [Press release]. https://www.eia.gov/tod - ayinenergy/detail.php?id=45596 [7.7.2022] e-control (Hrsg) (2020). Ausfall und Störungsstatistik für Öster - reich 2020 Fachverband der Gas- und Wärmeversorgungsunternehmun - gen (Hrsg.). (2018). Zukunft Fern - wärme [Sonderheft], 12. Wien. Frohner, K. (2020). Das Über - tragungsnetz im Zieldreieck 100% Erneuerbare Energie, neues Marktdesign und Versorgungs - sicherheit: Protokoll . https:// www.wko.at/branchen/industrie/ protokoll-uebertragungsnetz.pdf [7.7.2022] Gahleitner, G. (2013). Hydro - gen from renewable electricity: An international review of power- to-gas pilot plants for stationary applications. International Journal of Hydrogen Energy , 38(5), 2039– 2061. https://doi.org/10.1016/j. ijhydene.2012.12.010 Haber, A. (2020). Batterie - speichermanagementsysteme im Vergleich – individualisiert und nach Optimierungsmethoden. 16. Symposium Energieinnovation . https://www.researchgate.net/ publication/339292044_Batterie - speichermanagementsysteme_ im_Vergleich_-_individualisiert_ und_nach_Optimierungsmethoden [7.7.2022] Heidinger, P., Perez Linken - heil, C. & Huneke, F. (2019). Österreichs Weg in Richtung 100 % EE. Berlin. Energy Brainpool. https://www.energybrainpool. com/fileadmin/download/Studien/ Studie_2019-01-24_APG_Energy - Brainpool.pdf [7.7.2022] IRENA. (2019). Innovation out - look: Smart charging for electric vehicles . https://irena.org/publi - cations/2019/May/Innovation-Out - look-Smart-Charging [7.7.2022] Jensen, J. K., Reinholdt, L., Markussen, W. B., & Elmegaard, B. (2014). Investigation of ammo - nia/water hybrid absorption/com - pression heat pumps for heat sup - ply temperatures above 100 °C. Proceedings of the International Sorption Heat Pump Conference (ISHPC 2014) (Vol. 1), 311–320. Jentsch, M. (2015). Potenziale von Power-to-Gas-Energiespei - chern: Modellbasierte Analyse des markt- und netzseitigen Einsatzes im zukünftigen Stromversorgungs - system . Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2014. Fraunhofer-Verl. http:// publica.fraunhofer.de/dokumen - te/N-336756.html [7.7.2022] Kost, C., Schlegl, T. & Fraunhofer ISE. (2018). Strom - gestehungskosten erneuerbare Energien. FRAUNHOFER-INS - TITUT FÜR SOLARE ENERGIE - SYSTEME ISE. https://www.ise. fraunhofer.de/content/dam/ise/de/ documents/publications/studies/ DE2018_ISE_Studie_Stromgeste - hungskosten_Erneuerbare_Ener - gien.pdf [7.7.2022] Mahnke, E. & Mühlenhoff, J. (2012). Strom Speichern (Renews Spezial Nr. 57). Berlin. Oesterreichs Energie. (2017, 11. August). Hohe Versorgungssi - cherheit ist keine Selbstverständ - lichkeit [Press release]. Wien. https://www.ots.at/presseaussen - dung/OTS_20170811_OTS0056/ oesterreichs-energie-hohe-versor - gungssicherheit-ist-keine-selbst - verstaendlichkeit [7.7.2022]Österreichische Akademie der Wissenschaften, Institut für Tech - nikfolgenabschätzung & Austrian Institute of Technology. (2019). Energiespeicher-Parlament Zwi_ Endbericht: Zwischenspeicher der Zukunft für elektrische Energie . Wien. Palensky, P. & Dietrich, D. (2011). Demand Side Manage - ment: Demand Response, Intelligent Energy Systems, and Smart Loads. IEEE Transactions on Industrial Informatics , 7(3), 381–388. https://doi.org/10.1109/ TII.2011.2158841 Rasmussen, M. G., Andre - sen, G. B. & Greiner, M. (2012). Storage and balancing synergies in a fully or highly renewable pan- European power system | Elsevier Enhanced Reader // Storage and balancing synergies in a fully or highly renewable pan-European power system. Energy Policy , 51, 642–651. https://doi.org/10.1016/j. enpol.2012.09.009 Schenuit, C., Heuke, R. & Paschke, J. (2016). Potenzial - atlas Power to Gas.: Klimaschutz umsetzen, erneuerbare Energien integrieren, regionale Wertschöp - fung ermöglichen. Berlin. https:// www.dena.de/themen-projekte/ projekte/energiesysteme/potenzi - alatlas-power-to-gas/ [7.7.2022] Schlachtberger, D. P., Brown, T., Schramm, S. & Greiner, M. (2017). The benefits of cooperati - on in a highly renewable European electricity network. Energy . doi: 10.1016/j.energy.2017.06.004 Schmidt, R.-R., Tichler, R., Amann, C., Schindler, I. (2015). F&E-Fahrplan Fernwärme und Fernkälte: Innovationen aus Ös - terreich für eine zukunftsweisende Wärmeversorgung . Wien. https:// www.klimafonds.gv.at/wp-content/ uploads/sites/6/FEFahrplan-Fern - waermeFernkaelte.pdf [7.7.2022] Stadler, I. (2014). Energie - speicher: Bedarf, technologien, integration . Springer Vieweg. ISBN: 978-3-642-37380-0 Statistik Austria, z. F. (2018). Indikatoren von SDG7 . Wien. Statistik Austria. Statistik Austria. (2021). Energieeinsatz der Haushalte. Bundesanstalt Statistik Öster - reich. https://www.statistik.at/ statistiken/energie-und-umwelt/ energie/energieeinsatz-der-haus - halte [7.7.2022] Verkehrsclub Österreich. (2020). Warum die E-Mobilität nicht auf den Wasserstoff-Durch - bruch warten kann . https://www.vcoe.at/publikationen/blog/detail/ warum-die-e-mobilitaet-nicht-auf- den-wasserstoff-durchbruch-war - ten-kann [7.7.2022] VERORDNUNG (EU) 2017/1938 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über Maßnahmen zur Gewährleis - tung der sicheren Gasversorgung und zur Aufhebung der Verord - nung (EU) Nr. 994/2010 (2017). Wietschel, M., Ullrich, S. J., Markewitz, P., Schulte, F. & Genoese, F. (Hrsg.). (2015). Ener - gietechnologien der Zukunft: Er - zeugung, Speicherung, Effizienz und Netze . Springer Vieweg. Zach, K., Auer, H., Lettner, G. & Weiß, T. (2013). Abschätzung des zukünftigen Energiespei - cherbedarfs in Österreich zur Integration variabler erneuerbarer Stromerzeugung Store_Fol - der_Oesterreich_RZ.indd. https:// www.store-project.eu/documents/ target-country-results/en_GB/ energy-storage-needs-in-austria- executive-summary-in-german [7.7.2022] Zühlsdorf, B., Bühler, F., Bantle, M. & Elmegaard, B. (2019). Analysis of technologies and po - tentials for heat pump-based pro - cess heat supply above 150 °C. Energy Conversion and Manage - ment: X , 2, 100011. https://doi. org/10.1016/j.ecmx.2019.100011