Flexibilitätsoptionen der Strom- und Wärmeerzeugung mit Geothermie in einem von volatilem Stromangebot bestimmten Energiesystem

Abstract

Die tiefe Geothermie ist integraler Bestandteil der Wärmewende und kann darüber hinaus einen signifikanten Beitrag zur Bereitstellung elektrischer Energie liefern Bislang unzureichend untersucht ist die Frage, in wie weit Geothermiebasierte Strom-Wärme-Systeme für eine flexible Deckung des Strombe-darfs, insbesondere der Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden können, ohne negative Auswirkungen auf die Wärmeversorgung zu bedingen. Die Studie stellt fest, dass aus hydrogeochemischer Sicht ein flexibler Betrieb des Thermalwasserstroms für die Anlagenkomponenten und das Reservoir, gerade im Molassebecken weitgehend unbedenklich ist. Es ist festzuhalten, dass Erfassung von Messdaten und eine anlagenbezogene Bewertung unersetzlich ist. Die durchgeführte technische Analyse sowie die Simulation der Geothermieanlagen zeigen auf, dass das technische Potenzial der dauerhaften Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung für nahezu alle technischen Flexibilitätsoptionen, insbesondere für Bestandsanlagen gering ist. Ausnahme ist das technische Flexibilitätspotential für die Bereitstellung von positiver Regelleistung durch den Einsatz von Heißwasser- bzw. Thermalwasserspeichern. Hier ist das technische Potential als mittel bis groß einzuschätzen, jedoch steigt auch der technische Aufwand. Das technische Potenzial der positiven und negativen Regelleistungsbereitstellung mit eingeschränkter zeitlicher Verfügbarkeit (also in Zeitscheiben) ist hingegen für nahezu alle Flexibilitätsoptionen mittel bis groß. Folglich besteht ein di-rekter Einfluss der zeitlichen Verfügbarkeit auf das Potenzial der Regelleistungsbereitstellung; der technische Aufwand korreliert mit der Größe der Speichervolumina. Das Gesamtpotential der Regel-leistungsbereitstellung bleibt jedoch insgesamt auf niedrigem Niveau. Verglichen mit konventioneller Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zeigt die Geothermie eine sehr variable Stromkennzahl, wodurch eine sehr große Flexibilität zwischen Strom- und Wärmeerzeugung gewährleistet ist. Weiterhin sind die CO2-Emissionen pro erzeugter Energieeinheit deutlich positiver zu bewerten als bei fossil betriebener KWK. Die ökonomischen Bewertungen zeigen, dass unter aktuellem Preisniveau und Anwendung von technischen Flexibilitätsoptionen die Anlagen nur bedingt wirtschaftlich Regelleistung erbringen können. Anlagen im Bestand mit Unterstützung durch das Spitzenlast-Heizwerk können bereits heute durch Bereitstellung von positiver Sekundärregelleistung zusätzliche (geringe) Gewinne erwirtschaften. Bei Anlagen im Bestand ohne Modifikation bzw. der Erweiterung durch Wärmespeicher ist dies nicht der Fall. Die Verringerung des anzulegenden Werts für Strom aus Geothermie birgt eine verstärkte Ausnutzung des Flexibilitätspotentials und damit ökonomische Vorteile. Anlagen im Bestand und Anlagen mit Spitzenlast-Heizwerk können dann wirtschaftlich negative und positive Sekundärregelleistung vorhalten. Eine Bereitstellung von Flexibilität durch tiefe Geothermiekraftwerke, deren Stromerzeu-gung nach EEG vergütet wird, ist damit ohne zusätzliche Anreize mittelfristig nicht zu erwarten. Eine zeitliche Entkopplung der Stromproduktion von der Wärmenachfrage mit Hilfe von Wärmespeichern ermöglicht eine mehr strompreisorientierte Fahrweise des Geothermiebasierten Strom-Wär-mesystems. Das flexiblere Energiesystem reduziert dabei die Gesamtkosten mittels Maximierung der Erlöse durch Stromeinspeisung ins Netz zu Zeiten mit hohen Strompreisen. Zusätzliche elektrische Wärmeerzeuger (wie in dieser Untersuchung z. B. eine Wärmepumpe) werden bei sehr niedriger Residuallast und damit verbundenen geringen Stromkosten für die Wärmegewinnung eingesetzt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass aktuell die Bereitstellung von Regelleistung durch Geothermiebasierte Strom-Wärme-Systeme aus hydrogeochemischer und technischer Sicht mit Einschrän-kungen möglich ist. Die zu erwirtschafteten Gewinne sind gering. Aufgrund der (bislang) geringen Anzahl von Geothermie-basierten Strom-Wärme-Systemen ist der systemdienliche Benefit ebenfalls als gering einzustufen. Quelle: Forschungsbericht

Deep geothermal energy is an important part of the heat shift and can also make a significant contribu-tion to the provision of electrical energy. So far, the question to what extent geothermal based power-heat-systems can be used to flexibly cover the electricity demand in particular to provide operating reserve without negative impacts on the heat supply, is to date insufficiently researched. This study shows from a hydrogeochemical standpoint that a flexible operation of the thermal water cycle is largely harmless for plant components and the reservoir, especially in the Molasse Basin. The technical analysis and simulations of the geothermal plants show that the technical potential for a permanent provision of positive and negative operating reserve is small for almost all technical flexi-bility options, especially for existing plants. An exception builds the technical flexibility potential to provide positive control reserve through the use of boilers or thermal water storage systems. In this connection, the technical potential can be ranked as medium to large, however the technical effort also increases. On the contrary, the technical potential to provide positive and negative control reserve with limited temporal availability (i.e. offering slots) is medium to large for nearly all flexibility op-tions. Therefore, the limited temporal availability significantly increases the potential to provide operating reserve within the offering slot. The overall potential to offer control reserves remains on a low level and the technical costs increase with regard to larger storage volumes. Compared with conventional combined heat and power (CHP), geothermal energy has a very variable power to heat ratio, which ensures a very high degree of flexibility between electricity and heat generation. Furthermore, CO2 emissions per unit of energy generated are more positive than with fossil CHP. Based on the current price levels and use of technical flexibility options, the economical assessments show that plants can only conditionally supply control reserves based on the current price levels and use of technical flexibility options. Existing plants, with the support of peak-load-heating-systems, can already make (small) profits by providing positive secondary operating reserve. This is not the case for existing plants without modification or extension through heat-storage. The reduction of the applied value/price for electricity from geothermal would enhance the exploitation of the flexibility potential and therefore economic benefit. Existing plants and plants with peak-load-heating-systems can then provide economically viable negative and positive secondary control reserve. Without additional incentives, a provision of flexibility through deep geothermal plants whose electricity production is compensated by a feed-in-tariff, is therefore not expected in the near future. A temporal decoupling of the power production from the heat demand with the help of heat storage enables a more electricity-price-oriented mode of operation of the heating plant. The more flexible energy system reduces the total cost by means of maximizing revenues thanks to feeding power into the power supply system at times of high electricity prices. Additional electric heat generators (such as a heat pump in this study) are used for heat recovery at very low residual load and associated low electricity costs. In summary, it can be stated that the provision of control power through geothermal-based electricity and heat systems is currently possible with restrictions from a hydrogeochemical and technical point of view. The profits to be generated are low. Due to the (so far) small number of geothermal-based electricity and heat systems, the system benefit can also be classified as low. Quelle: Forschungsbericht

Aufgrund der Volatilität von Sonnen- und Windstrom könnte zukünftig die Bedeutung von Regelleistung zunehmen. Tiefengeothermie kann mit flexiblen Strom-Wärme-Systemen Regelenergie liefern, ohne die Fernwärmeversorgung negativ zu beeinflussen. Dies wurde im Forschungsprojekt GeoFlex auch aus hydrogeochemischer Sicht bestätigt. Zusätzliche Flexibilisierungselemente, wie Wärmespeicher und Wärmepumpen erhöhen das ökonomische und technische Flexibilitätspotential und führen so insgesamt zu einem systemdienlicheren Verhalten. Um das Potential zu erschließen und die Flexibilisierung von Tiefengeothermie zu fördern, müssten unter aktueller Marktlage entsprechende Anreize geschaffen werden.