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Der Umbau des Energieversorgungssystems hinzu einem größeren Anteil Erneuerbarer Ener-gien verlangt, dass für die Aufrechterhaltungder Versorgungssicherheit verstärkt auch flexi-ble Komponenten bspw. Stromspeicher einge-setzt werden. Zur präzisen und detailliertenBewertung der potenziellen Speicheranwendun-gen hat Fraunhofer UMSICHT das ModellGOMES® entwickelt, welches der Einsatz- undAuslegungsoptimierung von netzgekoppeltenEnergiespeichern dient. Die Funktionalität desModells wird an dem Fallbeispiel eines adiaba-ten Druckluftspeicherkraftwerks demonstriert,welches einen Windpark unterstützt, der auf-grund von Netzengpässen von Abregelungenbedroht ist. Die Ergebnisse dieser Szenarien-untersuchungen zeigen, dass mit GOMES® nichtnur die Wirtschaftlichkeit einer Speicheran-wendung oder die optimale Dimensionierungvon Speicherleistung und Speicherkapazitätbestimmt werden können, sondern auch wichti-ge Rückschlüsse auf das technische Anlagen-layout möglich sind.

Mot i va t i on

Für die Integration steigender Anteile von erneuer-baren Energieträgern in das Energieversorgungs-system wird mehr Flexibilität im System benötigt.Für die Stabilität des elektrischen Netzes ist eswichtig, dass sich die Stromerzeugung und derStromverbrauch jederzeit in der Balance befinden.Das traditionelle Konzept, dass die Stromerzeugerin jedem Moment genau so viel Strom zur Verfü-

gung stellen, wie vom Verbraucher nachgefragtwird, wird insbesondere angesichts der fluktuieren-den Energieträger wie Windenergie und Photovol-taik immer schwieriger umzusetzen. In diesemZusammenhang stellen Stromspeicher, die sowohlüberschüssigen, regenerativen Strom aufnehmenund zu Zeiten mit hoher Nachfrage wieder abgebenkönnen, sich als wichtige, flexible Komponentedar. Stromspeicher können an den unterschiedlich-sten Standorten eingesetzt werden (erzeugernahbspw. in der Nähe von Windparks, beim Endkun-den oder an kritischen Punkten im elektrischenNetz) und bieten eine weite Bandbreite an Spei-cherdienstleistungen. Dazu gehören die Stützungder Systemstabilität und der Systemzuverlässig-keit, die Vermeidung von Investitionen bspw. fürNetzausbau sowie das Ausgleichen von Last undErzeugung im großen Maßstab.

Model l GOMES ®

In den letzten Jahren hat Fraunhofer UMSICHTein generisches Modell für die Einsatz- und Ausle-gungsoptimierung von netzgekoppelten Speicher-systemen entwickelt. Aufgrund des modularenAufbaus ist GOMES® (Generic OptimizationModel for Energy Storage) in der Lage die ökono-mische und technische Relevanz einer Vielzahl anunterschiedlichen Speicherdienstleistungen zubewerten. Ebenso können die verschiedenstenEnergiespeicherformen untersucht werden (sieheAbbildung 1). Zu der Klasse der stationären, elek-trischen Speicher gehören bspw. die TechnologienPumpspeicherkraftwerk, adiabates Druckluft-

A N N E D O R E K A N N G I E ß E R , DA N I E L WO L F , M A R C U S B U D T

Einsatz- und Auslegungsoptimierung vonEnergiespeichern mit GOMES®

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speicherkraftwerk und verschiedene Batterietypen.Diese Speicher sind ortsgebunden und könnenjederzeit mit dem elektrischen Netz interagieren.Desweiteren gibt es mobile, elektrische Speicher,in Form von Elektroautos. Der Unterschied dermobilen, elektrischen Speicher zu den stationären,elektrischen Speichern, besteht darin, dass dieseper Definition nur zeitweise mit dem Netz verbun-den sind, diese Kopplung an unterschiedlichenStandorten erfolgen kann und außerdem Energieaus dem integrierten Batteriespeicher für dasZurücklegen von Fahrtstrecken verbraucht wird.Weitere Gruppen sind thermische Speicher (z.B.Warmwasserspeicher an Wärmepumpe), welcheden Strombezug für Heizzwecke zeitlich von demVerbrauch der Heizenergie entkoppeln können,sowie verschiebbare Haushaltslasten (z.B. Wasch-maschine, Kühlschrank), welche ihren Strombezugzeitlich verlagern können. Die zeitliche Verlage-rung des Strombezugs im Endkundenbereich kanndazu dienen, dass eigenproduzierter Photovoltaik-Strom auch selbst verbraucht werden kann, dass inKombination mit einem variablen Strombezugsta-rif die Strombezugskosten verringert werden oderdass durch die Vergleichmäßigung der Last dasNetz entlastet wird.

In die Szenarienrechnungen mit GOMES® gehenzur Beschreibung der Energiespeicher, der erneu-erbaren Energieträger und der Erlösmöglichkeitenneben Parametern wie bspw. der installiertenWindparkleistung viertelstündlich aufgelöste Zeit-reihen ein, die ein vollständiges Jahr umfassen.Dies kann der Verlauf der Windeinspeiseleistungoder auch der Strompreis am Day-Ahead-Spot-markt sein. Es ist wichtig, dass bei der Bewertungvon Speicheranwendungen vollständige Jahre undzeitlich hoch aufgelöste Daten betrachtet werden,weil das Rechnen mit einzelnen Typtagen oderMittelwerten der zeitlichen Komplexität von Spei-chervorgängen nicht gerecht werden würde. ImGegensatz zu thermischen Kraftwerken, derenErzeugungsleistung im Normalfall jederzeit voll-ständig abgerufen werden kann, hängt die Arbeits-fähigkeit eines Speichers grundsätzlich von demaktuellen Füllstand ab. Dieser stellt sich infolge dervorher erfolgten Ein- und Ausspeichervorgängeein. Abbildung 2 gibt auf der linken Seite eineÜbersicht über die Eingangsparameter und -zeitrei-hen von GOMES®. Auf der rechten Seite werdendie resultierenden Ergebnisse der Optimierung,sowie Beispiele für daraus ableitbare Schlussfolge-rungen dargestellt.

Abbildung 1: Modulare Komponenten von GOMES®

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Fa l l s tud ie : W indpark & A-CAES

Hintergrund dieser Fallstudie ist die vor allem inNorddeutschland immer häufiger auftretende Situ-ation, dass Windenergieanlagen abgeregelt werdenmüssen, weil das den Strom aufnehmende Netzlokal überlastet ist. Dieses Problem wird sich inZukunft noch weiter verstärken, wenn große Off-shore-Windparks vor der Küste zugebaut werden.Die zunächst naheliegendste Lösung für diese Pro-blematik stellt der Ausbau der Stromnetze dar.Allerdings hinkt der Ausbau der Netze der Ent-wicklung der installierten Leistung deutlich hinter-her. Dies ist u.a. den langjährigen Genehmigungs-verfahren und der geringen Akzeptanz in derBevölkerung geschuldet. Daher soll in dieser Fall-studie der alternative Einsatz eines adiabatenDruckluftspeicherkraftwerks (A-CAES) unter-sucht werden, das in der Nähe des Windparksinstalliert wird. Die Aufgabe des A-CAES bestehtdarin, in Starkwindphasen den überschüssigenWindstrom zwischenzuspeichern, um ihn zeitver-zögert – wenn wieder genug Übertragungskapa-zität zur Verfügung steht und entsprechend Strom-bedarf vorhanden – in das Netz abzugeben.

Wirtschaftlichkeitsanalysen haben ergeben, dasssich die Investition in einen Speicher nicht rechnet,sofern die Einnahmen ausschließlich aus dem Ver-kauf dieser Windstromüberschüsse erzielt werden.Daher wird dem A-CAES erlaubt zusätzlich amDay-Ahead-Spotmarkt zu handeln sowie amRegelenergiemarkt Minutenreserve anzubieten.Der Handel am Day-Ahead-Spotmarkt bedeutet,dass in Stunden mit niedrigem Spotpreis Stromeingekauft und zwischengespeichert wird, um ihnin Stunden mit hohem Spotpreis wieder auszuspei-chern und zu verkaufen. Das Anbieten von positi-ver oder negativer Minutenreserve am Regelener-giemarkt hat die Konsequenz, dass der Speicherdie angebotene Leistung jeweils für die vierstündi-ge Kontraktdauer vorhalten und im Abruffall lie-fern muss.

Während der Vorhaltephase zieht dies sowohl Kon-sequenzen für die zulässige Leistung, mit der derSpeicher Windstrom ein- oder ausspeichert bzw.am Spotmarkt agiert, als auch für den Füllstand,welcher währenddessen minimal bzw. maximal imSpeicher vorhanden sein muss, nach sich.

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Abbildung 3 zeigt den Betriebsverlauf des A-CAES an fünf exemplarischen Tagen. Zu Grundegelegt ist dabei ein Windpark mit einer installiertenLeistung von 350 MW, welcher einer maximalenÜbertragungskapazität der Stromleitung von 260MW gegenübersteht. Die aus betriebswirtschaft-licher Sicht optimale Dimensionierung des Spei-chers wurde durch vorhergehende Szenarienrech-nungen mit GOMES® zu PEin = 70 MW und PAus= 40 MW bestimmt. Das Speichervolumen ermög-licht eine dauerhafte Ausspeicherung über siebenStunden unter Volllast der Turbine.

Im oberen Diagramm ist auf der linken Achse fürjeden Zeitschritt die aktuelle Ein- und Ausspei-cherleistung des A-CAES aufgetragen, auf derrechten Achse stehen die aktuelle Windeinspeise-leistung und die restriktive Übertragungskapazitätder Stromleitung. Im unteren Diagramm ist auf derlinken Achse der resultierende Speicherfüllstandaufgetragen, auf der rechten Achse kann der Spot-preis abgelesen werden. Im mittleren Diagramm istdie Leistung an vorgehaltener bzw. abgerufenerMinutenreserve eingetragen. Innerhalb der fünfausgewählten Tage ist zu erkennen, dass der A-

Abbildung 3: Betriebsverlauf des A-CAES an fünf exemplarischen Tagen

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CAES sowohl Windüberschüsse erntet als auch amSpotmarkt und Minutenreservemarkt agiert. In denersten drei Tagen ist die Windeinspeiseleistungrelativ gering und übersteigt zu keinem Zeitpunktdie maximale Übertragungskapazität. Das heißt,der Speicherbetrieb wird in diesem Zeitraum maß-geblich von dem Handel am Spotmarkt getrieben.Es ist deutlich zu erkennen, dass die Einspeicher-vorgänge mit niedrigen Spotpreisen und die Aus-speichervorgänge mit hohen Spotpreisen korrelie-ren. Der Spotmarkthandel wird dabei leicht durchdas Anbieten von Minutenreserve eingeschränkt(vgl. mittleres Diagramm in Abbildung 3).

Die Einspeicherung zu Beginn des ersten Tageserfolgt bspw. nur mit der Hälfte der installiertenKompressorleistung (35 MW), da die anderen 35MW frei gehalten werden müssen, falls ein Abrufder angebotenen negativen Minutenreserve erfolgt.Dies geschieht kurz darauf tatsächlich, woraufhinder Kompressor seine Leistung kurzzeitig auf 70MW erhöht. Am vierten und fünften Tag wird derSpeicherbetrieb dagegen maßgeblich von derZwischenspeicherung von Windstrom bestimmt.An diesen beiden Tagen übersteigt die Einspeise-leistung des Windparks mehrfach die maximaleÜbertragungskapazität der Netzanbindung. Wäh-

rend der Speicher zu Beginn der Starkwindphaseleer ist und daher zuerst den kompletten Über-schuss zwischenspeichern kann, ist dies zu Beginndes fünften Tages nicht mehr möglich. Der Füll-stand des Speichers hat zu diesem Zeitpunktbereits sein Maximum erreicht, so dass trotz Wind-überschusses der Speicher für einige Stunden inden Ausspeichermodus schalten muss, um imAnschluss erneut Windstrom zwischenspeichernzu können.

Ein interessanter Punkt, der für die technische Aus-legung des A-CAES von Bedeutung ist, ist derhohe Anteil an Teillastbetrieb, sowohl bei demKompressor als auch bei der Turbine. Den Nach-weis, dass sich dieses bereits in den fünf exempla-rischen Tagen auffällige Verhalten im restlichenJahr fortsetzt, liefert Abbildung 4. Der linke Teilder Abbildung enthält ein Histogramm der Kom-pressorleistung, der rechte Teil ein Histogramm derTurbinenleistung. Der Kompressor fährt in nahezu65 % seiner Betriebsstunden in Teillast, den größ-ten Teil davon sogar an der unteren Grenze seinesTeillastbereiches. Die Turbine fährt in ca. 50 %ihrer Betriebsstunden im Teillastbereich. Auch hierentfällt der größte Anteil davon auf die untere Teil-lastgrenze.

Abbildung 4: Anteil der unterschiedlichen Lastzustände des Kompressors (links) und der Turbine (rechts)

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Die Szenarienrechnungen mit GOMES® lassen fürdie technische Auslegung von A-CAES, welchewindparknah die hier genannten Speicherdienst-leistungen erbringen, mehrere wichtige Schlussfol-gerungen zu:

Bei der Dimensionierung sollte die Kompres-sorleistung größer gewählt werden als die Tur-binenleistung. Das Speichervolumen sollteeine Volllast-Ausspeicherung von ca. 7 Stun-den erlauben.Der multifunktionale Speicherbetrieb, welcherdas Anbieten von Minutenreserve beinhaltet,bringt die Bedingung mit sich, dass der A-CAES innerhalb von 15 Minuten anfahrenkann.Bei dem untersuchten, multifunktionalenBetrieb dominieren sowohl bei dem Kompres-

sor als auch bei der Turbine die Betriebsstun-den mit Teillast. Aufgrund dessen sollte einthermodynamisches Anlagenlayout gewähltwerden, welches hohe Teillastwirkungsgradeermöglicht.

Dipl.-Ing. Annedore Kanngießer, Dr.-Ing. DanielWolf, Dipl.-Ing. Marcus Budt

Position (gilt für alle drei): Wissenschaftlicher Mit-arbeiter im Geschäftsfeld Energie-Effizienz-Tech-nologien bei Fraunhofer UMSICHT

Kontakt: Fraunhofer UMSICHT, Osterfelder Str. 3,46047 Oberhausen, www.umsicht.fraunhofer.de/annedore.kanngiesser@umsicht.fraunhofer.dedaniel.wolf@umsicht.fraunhofer.demarcus.budt@umsicht.fraunhofer.de