Analyse und Vergleich von sektorenkoppelnden Anlagen in Kombination mit einem Batteriespeicher zur Erbringung von Primärregelleistung

Kurzfassung

In dieser Arbeit soll eine Elektrolyse-Anlage als Alternative zur Power-to-Heat-Anlage im Hybridregelkraftwerk HyReK untersucht werden. Das HyRek ist ein Kraftwerk bestehend aus einem Batterie-Speicher und einer Power-to-Heat-Anlage zur Erbringung von Primärregelleistung. Auch bei einem hohen Ladezustand der Batterie kann das HyReK, anders als ein einzelner Batteriespeicher, weiterhin elektrische Energie aus dem Netz aufnehmen und mithilfe der Power-to-Heat-Anlage in Wärme umwandeln. Somit muss keine freie Kapazität zurückgehalten werden, um Energie aufnehmen zu können und die Batterie kann kleiner dimensioniert werden. Insgesamt kann das HyReK 18 MW Primärregelleistung bereitstellen, sowohl positive als auch negative. Die Vergütung für die Bereitstellung von Primärregelleistung (Leistungspreis) ist in den letzten Jahren immer weiter gesunken. Zusätzlich verursacht die Power-toHeat-Anlage höhere Kosten durch anfallende Steuern und Abgaben als Erlös durch den Wärmeverkauf. Aus diesen Gründen soll ein alternatives Anlagenkonzept analysiert werden. Als Alternative zur Power-to-Heat-Anlage soll ein Elektrolyseur betrachtet werden. Statt Wärme kann der Elektrolyseur den überschüssigen Strom verwenden, um Wasserstoff zu erzeugen. Für die Nutzung des Elektrolyseurs fallen dabei geringere Steuern und Abgaben an als für die Power-to-Heat-Anlage. Zusätzlich zu den beiden Energiesystemen soll eine dritte Auslegung betrachtet werden, in der der Elektrolyseur nicht nur für die Erbringung von Primärregelleistung verwendet wird, sondern auch kontinuierlich Wasserstoff erzeugt. Die Erbringung von Primärregelleistung erfolgt in diesem Szenario durch die Überlastfähigkeit des Elektrolyseurs. Hierfür wird eine Überlastfä- higkeit von 50 % angenommen und der Elektrolyseur auf die doppelte Nennleistung des HyReK ausgelegt, damit bei 50 % Überlast die selbe Menge an Primärregelleistung von 18 MW vergütet wird. Um die Energiesysteme miteinander zu vergleichen, werden sie in der Simulationsumgebung oemof modelliert und die Energieflüsse anhand der geringsten Kosten optimiert. Aus den resultierenden Ergebnissen und den Investitionssummen wird mithilfe der Kapitalwertmethode ein Nettobarwert errechnet. Dieser ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Systems. Ist er positiv, kann das System als wirtschaftlich angesehen werden. Der positivste Nettobarwert gilt als die wirtschaftlich beste Investition. Während das HyReK nach der Laufzeit von 15 Jahren einen Nettobarwert von 4,7 Mio. € erwirtschaftet, erzielt die Alternativanlage mit einem Elektrolyseur einen Nettobarwert von -7,6 Mio. € bei einem Wasserstoffpreis von 3 €/kg bzw. -8,2 Mio. € bei einem Wasserstoffpreis von 5 €/kg. Der Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb erzielt mit -55,5 Mio. € (3 €/kg) einen noch schlechteren Barwert, da hier die anfallenden Stromkosten zusätzliche Verluste erzeugen. Der Anschaffungspreis des Elektrolyseurs liegt im Vergleich zu dem der Power-to-Heat-Anlage deutlich höher und hat zusätzlich noch Einfluss auf die Wartungskosten. Daher wäre eine Förderung oder eine starke Preisreduktion notwendig, um ein wirtschaftlich sinnvolles Anlagenkonzept darzustellen. Um einen positiven Nettobarwert zu erzielen, müsste die Investitionssumme des Elektrolyseus um ca. 49 % gesenkt werden. Für einen ähnlichen NPV wie das aktuelle HyReK wäre eine Reduzierung um 89 % notwendig. Auch in einem Szenario ohne Berücksichtigung der EEG-Umlage kann der Elektrolyseur keinen positiven Wert erwirtschaften, der kontinuierlich betriebene Elektrolyseur erzielt jedoch mit 197,0 Mio. € bei einem Wasserstoffpreis von 5 €/kg den positivsten Nettobarwet aller Simulationen. Im Anblick der steigenden Strompreise aber auch der deutlichen Verbesserung der technischen und wirtschaftlichen Parameter des Elektrolyseurs werden Zukunftsszenarien für das Jahr 2030 und 2050 simuliert. Der ausschließlich für Primärregelleistung betriebene Elektrolyseur kann erst im Jahr 2050 einen positiven Nettobarwert von 0,5 Mio. € (3 €/kg) bzw. 0,9 Mio. € (5 €/kg) erzielen. Letztendlich ist der Elektrolyseur unter den aktuellen Gegebenheiten keine Alternative zur Power-to-Heat-Anlage des HyReK