Stromversorgungssicherheit in der Schweiz ohne AKW
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Atomkraft am Kipp-Punkt
Basel, 24. Juni 2022
Stromversorgungssicherheit in der Schweiz ohne AKW
Ein modellbasierter Szenarienvergleich für 2035
Mario Kendziorski, Christoph Weyhing,
Christian von Hirschhausen, Claudia Kemfert, Enno Wiebrow und Elmar Zozmann
Technische Universität Berlin, Fachgebiet Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP)
Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung (DIW Berlin)
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. -1- Basel, 24. Juni 2022
Ausgangslage
Dekarbonisierung bis 2050
• Energiestrategie 2050 als neues Energiegesetz 2017 angenommen
• Damit Entscheidung für (fast) vollständige Versorgung mit erneuerbaren Energien
• Energieperspektiven 2050+ zeigen verschiedene Varianten (Prognos AG u.a. 2021)
Kernkraft
• Zwei der vier Kernkraftwerke (KKW) gehen wahrscheinlich zeitnah vom Netz (Beznau 1, 2)
• Die KKW Gösgen und Leibstadt (Baujahr 1979 und 1984) können so lange betrieben werden, wie sie
als sicher eingestuft werden und wirtschaftlich sind. Beide evtl. 2035 noch im Betrieb
• Parallel läuft kontroverser Prozess zur Endlagersuche für radioaktive Abfälle
Stromabkommen mit der EU
• Wegfall der Importmöglichkeiten könnte vor allem im Winter zu einer Knappheit an
Stromproduktion führen (Frontier Economics 2021)
• Es wäre nur ein sehr eingeschränkter Austausch mit den Nachbarländern möglich
Versorgungssicherheit
• Einführung einer strategischen Energiereserve (Hydroreserve)
• Weitere Backup-Kapazitäten in Form fossiler Erdgaskraftwerken diskutiert (Elcom 2021)
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Forschungsfrage
Dekarbonisierung bis 2050
Kernkraft
Stromabkommen mit der EU
Versorgungssicherheit
Versorgungssicherheit in der Schweiz im Jahr 2035 unter
Berücksichtigung von:
• Eines möglicherweise nicht verlängerten Stromabkommens mit der
EU
• Mit/ohne den KKW Gösgen und Leibstadt
• Mit/ohne zusätzlichen PV-Ausbau
• Ausfallwahrscheinlichkeiten von KKW
• Prognoseunsicherheit und Wetterjahren bei der PV-Einspeisung
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2x2 Szenarien-Matrix
Weiterbetrieb der KKW Beschleunigter Ausbau
Gösgen und Leibstadt der PV-Anlagen (EE)
2035 (ATOM)
Basiskooperation (BK) ATOM - BK EE - BK
EU-Kooperation (EU) ATOM - EU EE – EU
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Szenarien
Installierte Kapazität BK
60
50
40
GW
30
Quelle: Eigene Darstellung mit Annahmen aus
Frontier Economics (2021)
20
EU
10
0
ATOM EE
Wasserkraftwerke Atomkraftwerke
Erdgas PV
Wind Biomasse
Batteriespeicher Quelle: Eigene Darstellung mit Annahmen aus
ENTSO-E, und ENTSO-G (2022)
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Methode:
Szenarienvergleich mit europäischem Strommarktmodell
Strommarktmodell
• Simulation des Strommarkts und anschließender
Redispatch in stündlicher Auflösung
• Komplettes Stromnetz der Schweiz und
Nachbarländer
• Wasserspeicherstände werden anhand der zu
erwartenden Erzeugung determiniert
• Verteilung der PV-Anlagen wird mithilfe von
Potenzialen durchgeführt
• Verfügbarkeitsdaten standortscharf
• Modell ist open-source gehostet auf Github* und
in akademisches Journals veröffentlicht
(Weinhold und Mieth 2021, Weinhold und Mieth
2020)
* Abrufbar unter: https://github.com/richard-weinhold/pomato
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Unsicherheit in der Stromerzeugung (KKW)
1000
• Erzeugung aus Kernkraftwerken (KKW)
Monatliche Erzeugung [GWh]
800 nicht konstant
600 • Erzeugungsausfälle nicht vorhersehbar
und oft mit unbekannter Dauer
400
• Auf Basis von Daten aus den USA zeigt
sich: In 50% der Fälle ist die Ausfallzeit
200
von KKW länger als 5 Tage und in 10%
0 länger als 6 Wochen (Murphy u. a. 2018)
2016 2017 2018 2019 2020 2021
• Keine Umfangreiche Datenbasis für die
AKW Gösgen AKW Leibstadt
Schweiz, aber Einzelbetrachtung der KKW
5000 Gösgen und Leibstadt zeigt, dass auch
4000
diese immer wieder heruntergefahren
werden müssen
Dauer [h]
3000
2000
1000
0
2016 2017 2018 2019 2020 2021
AKW Gösgen AKW Leibstadt
Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Daten aus
ENTSO-E (2022)
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Unsicherheit in der Stromerzeugung (PV)
• Einspeisung aus PV-Anlagen unterliegt
kurzfristiger Prognoseunsicherheit und
Unsicherheit des Wetterjahres
• Prognosefehler selten größer als 30% (Daten
aus Deutschland, für die Schweiz keine Daten)
• Jährliche Verfügbarkeit schwankt in geringem
Maße, ist aber relativ gut abzuschätzen
• 2013 war das Jahr mit den niedrigsten
Volllaststunden und vor allem im Herbst,
Winter und Frühjahr unterdurchschnittlich
Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Pfenninger und
Staffell (2016)
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Ergebnisse: Erzeugung
90
• Mehr Export in den EU-
80 Szenarien, da Überschüsse vor
allem im Sommer exportiert
70 werden
60
• Zusätzliche Erzeugung aus
den PV-Anlagen in den EE-
50 Szenarien ersetzt die
TWh
Erzeugung aus den KKW
40
• Batterie- und
30 Pumpspeichernutzung nimmt
zu in den EE-Szenarien
20
10
0
Erzeugung
Erzeugung
Erzeugung
Erzeugung
Verbrauch
Verbrauch
Verbrauch
Verbrauch
ATOM - BK ATOM -E U EE - BK EE -EU
Nachfrage Biomasse Wind
Atomkraft Speicherwasser Laufwasser
Pumpspeicher PV Batterie
Export Erdgas
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Durchschnittliche tägliche Erzeugung in GW:
PV-Anlagen können KKW ersetzen
ATOM - BK
EE - BK
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Kendziorski et al. - 10 - Basel, 24. Juni 2022Verfügbare gesicherte Leistung (kurzfristig)
Worst Case
Betrachtung
• Ausfälle können in jeder betrachteten
• Gleichzeitiger Ausfall der Stunde in allen Szenarien ausgeglichen
Kernkraftwerke Gösgen und werden
Leibstatt • Es ergeben sich keine kritischen Stunden
• Gleichzeitig negativer für die Versorgungssicherheit
Prognosefehler PV-Einspeisung • Hydroreserve garantiert ausreichend
von 30% verfügbare Leistung
• Betrachtung der noch zur • Nach Deckung des Ausfalls verbleibt in den
Verfügung stehenden Leistung EE Szenarien mehr verfügbare Leistung, da
für die Stunde unmittelbar nach kein Kernkraftwerksausfall auftritt und in
Ausfall Stunden mit großen Prognosefehlern große
Erzeugungsüberschüsse existieren
• Analyse jeder Stunde des
Jahres
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. - 11 - Basel, 24. Juni 2022Verfügbare gesicherte Leistung (mittelfristig)
• Speicherstände zum Ende des
Gesicherte Leistung ohne Importe Winters/Anfang des Frühjahrs
niedrig
• Bei einem Ausfall von beiden
KKW im ATOM – BK Szenario
Ende März für einen Monat ließe
sich die Erzeugung selbst mit der
Hydroreserve nicht mehr
vollständig decken
• Im EE – BK Szenario sehen die
Füllstände zwar ähnlich aus, aber
es besteht nicht die Gefahr, dass
ein Großteil der Erzeugung auf
einmal wegbrechen kann
(„Klumpenrisiko“)
• Szenario-Variante EE
unproblematisch da ausreichend
Importkapazitäten (siehe nächste
Folie)
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. - 12 - Basel, 24. Juni 2022Verfügbare gesicherte Leistung (mittelfristig)
• Situationsverbesserung, wenn
Gesicherte Leistung ohne Importe Importmöglichkeiten mit
betrachtet werden
• Im ATOM – BK Szenario kann
mithilfe der Hydroreserve und
Importe der Ausfall von beiden
KKW für länger als einen Monat
kompensiert werden
• Damit wäre das System stark
ausgereizt und keine weiteren
ungünstigen Ereignisse dürfen
auftreten (geringe
Importkapazität im Ausland,
Ausfall von Netzelementen o. Ä.)
• Versorgungssicherheit könnte
durch eine größere Hydroreserve
oder fossile Backup-Kapazitäten
im ATOM – BK Szenario erhöht
werden (inkonsistent mit Ziel der
Dekarbonisierung)
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Kendziorski et al. - 13 - Basel, 24. Juni 2022Sensitivität ungünstiges PV-Wetterjahr:
Geringer Einfluss auf Versorgung
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Kendziorski et al. - 14 - Basel, 24. Juni 2022Fazit
• Kernkraftwerke fallen regelmäßig unvorhersehbar aus
• Sie stellen damit ein unsicheres Element im System dar, da der Ausfallzeitpunkt und
die Ausfalldauer unbekannt sind
• Die Konzentration des Großteils der Erzeugung auf zwei Kraftwerke führt zu einem
„Klumpenrisiko“
• Größere Reserven durch Erhöhung der Hydroreserve oder fossilen Erdgaskraftwerken
wären wahrscheinlich notwendig
• Ein verstärkter Ausbau von PV-Anlagen kann KKW ersetzen und erhöht die
Versorgungssicherheit
• Durch die verteilte Struktur der Erzeuger gibt es keine Gefahr, dass große Teile der
Erzeugung auf einen Schlag wegfallen
• Prognoseunsicherheit und ungünstige Wetterjahre lassen sich statistisch abschätzen
und sind daher gut zu antizipieren
• Keine zusätzliche Reserve notwendig
• EU – Kooperation würde die Versorgungssicherheit erheblich erhöhen
• Zusätzlich lässt sich im Sommer ein Überschuss der PV-Erzeugung exportieren
• Während im Winter die Importkapazitäten als ein Art Backup-Erzeugung für eine hohe
Versorgungssicherheit sorgen
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. - 15 - Basel, 24. Juni 2022Literatur ElCom. 2021. „Konzept Spitzenlast-Gaskraftwerk zur Sicherstellung der Netzsicherheit in ausserordentlichen Notsituationen“. Bericht zuhanden Bundesrat EICom-D-7D643401/33. Bern. ENTSO-E. 2022. „Transparency Platform“. https://transparency.entsoe.eu. ENTSO-E, und ENTSO-G. 2022. „TYNDP 2022 Scenario Report - Version April 2022“. Brussels. https://2022.entsos-tyndp-scenarios.eu/. Frontier Economics. 2021. „Analyse Stromzusammenarbeit CH-EU“. Schlussbericht. Hörsch, Jonas, Fabian Hofmann, Tom Brown, Liu Hailiang, Bryan Pickering, und Fabian Neumann. 2021. atlite (Version 0.2.1). Python. https://github.com/PyPSA/atlite. Murphy, Sinnott, Jay Apt, John Moura, und Fallaw Sowell. 2018. „Resource Adequacy Risks to the Bulk Power System in North America“. Applied Energy 212 (Februar): 1360–76. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.12.097. DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW Kendziorski et al. - 16 - Basel, 24. Juni 2022
Literatur NERC, North American Electric Reliability Corporation. 2020. „Generating Unit Statistical Brochure 4 2015-2019 - All Units Reporting“. Generating Availability Data System (GADS). Atlanta, USA. https://www.nerc.com/pa/RAPA/gads/Pages/Reports.aspx. Pfenninger, Stefan, und Iain Staffell. 2016. „Long-Term Patterns of European PV Output Using 30 Years of Validated Hourly Reanalysis and Satellite Data“. Energy 114 (November): 1251–65. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.08.060. Prognos AG, INFRAS AG, TEP Energy GmbH, und Ecoplan AG. 2021. „Energieperspektiven 2050+“. Kurzbericht. Weinhold, Richard, und Robert Mieth. 2020. „Fast Security-Constrained Optimal Power Flow Through Low-Impact and Redundancy Screening“. IEEE Transactions on Power Systems 35 (6): 4574–84. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2020.2994764. Weinhold, Richard, und Robert Mieth. 2021. „Power Market Tool (POMATO) for the Analysis of Zonal Electricity Markets“. SoftwareX 16 (Dezember): 100870. https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100870. DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW Kendziorski et al. - 17 - Basel, 24. Juni 2022
Backup DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW Kendziorski et al. - 18 - Basel, 24. Juni 2022
Szenarien
• Die Parameter für Stromnachfrage und der installierten Kapazitäten für die Schweiz basieren
auf den „Energieperspektiven 2050+“ (Prognos AG u.a. 2021)
• In der Szenario-Variante Basiskooperation (BK) sind die Austauschkapazitäten eingeschränkt.
Dies entspricht dem Szenario “Keine Kooperation” aus Frontier Economics (2021)
• Die Szenario-Variante EU-Kooperation (EU) geht von einem Abschluss des Stromabkommens
aus. Die Austauschkapazitäten entsprechen dem „Ten-Year Network Development Plan“
(TYNDP) der ENTSO-E und ENTSO-G (2022) für 2035
• Die Szenario-Variante ATOM geht von einem Weiterbetrieb der KKW Gösgen und Leibstadt
aus und entspricht dem Szenario „ZERO Basis KKW 60“ aus den Energieperspektiven 2050+
• Dem entgegen gestellt gibt es eine Szenario-Variante EE, die die Erzeugungsmenge aus den
beiden KKW durch zusätzliche PV-Kapazitäten ersetzt. Die installierte Leistung an PV-Anlagen
ist in diesem Szenario 31 GW anstatt 16,2 GW
Weiterbetrieb der KKW Beschleunigter Ausbau
Gösgen und Leibstadt der PV-Anlagen (EE)
2035 (ATOM)
ATOM - BK EE - BK
Basiskooperation (BK)
ATOM - EU EE – EU
EU-Kooperation (EU)
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. - 19 - Basel, 24. Juni 2022Importkapazitäten
• Im Winter und Frühjahr sind die Importkapazitäten in den Szenarien-Varianten BK bereits
stark im Einsatz
• Weitere Importe im Falle eines Erzeugungsausfalls sind nur bedingt möglich
• In den Szenario-Varianten EE sind zu jedem Zeitpunkt des Jahres noch große
Importkapazitäten möglich
DIW Berlin / TU Berlin - WIP Stromversorgungssicherheit ohne AKW
Kendziorski et al. - 20 - Basel, 24. Juni 2022Sie können auch lesen
