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Wie Energie-Simulation.de funktioniert

Allgemeines

Energy-simulation.de simuliert stundenaufgelöst alle Aspekte der elektrischen Energieflüsse,

Den Kraftwerkspark, also erneuerbare Energien, Kernenergie und konventionelle Kraftwerke
Verschiedene Energiespeicher mit den Parametern Kapazität, maximale Lade- und Entladeleistung und Roundtrip-Wirkungsgrad
Import und Export
Matchen von Nachfrage unter verschiedenen Strategien wie die aktuelle Strategie, "Klimaschoner", "Sicherheitsfetischist" und "Grün".

Zunächst wird mit den Wetterdaten von 2025 das gesamte Jahr faktisch (Standardeinstellungen) sowie kontrafaktisch (was wäre, wenn wir jetzt noch Kernkraftwerke hätten? oder doppelt so viel Offshore-Windkraft?) simuliert. In einer späteren Ausbaustufe werden auch 30-Jahre Stresstests möglich sein.

Im jetztigen Ausbauzustand berücksichtigt der Simulator keinerlei Energiepreise und nimmt den best case einer Kupferplatte Deutschland an. Strom kann also in beliebiger Stärke verlustfrei von und zu beliebigen Orten fließen.

Der Output sind

Jahresverläufe der Energieflüsse und Speicherstände, die interaktiv auf Wochenverläufe gezoomt werden können,
Curtailment-Faktoren (erzwungene Abschaltungen) und finaler CO₂-Footprint,
und ob in einer gewissen Stunde dieses Jahres im kontrafaktischen Simulationsszenario ein Blackout bzw eine Hellbrise-Krise zu erwarten wäre.

Anderen Simulatoren wie der von Energy-Charts beschränken sich ausschließlich auf Erneuerbare Energien, die je nach User-Input starr nach oben oder unten skaliert werden, nicht jedoch Kernenergie oder konventionelle Kraftwerke. Anders als mein Simulator ignorieren sie Strategien sowie Curtailment bzw. Kannibalismus-Effekte. Vielmehr werden Angebot und Nachfrage durch beliebige viel Speicher (unbekannten Wirkungsgrades) und ggf durch beliebig viel Import und Export ausgeglichen.

Bedienung

Der Simulator startet automatisch mit dem Wetter, dem Kraftwerks- und Speicherpark und der Strategie von 2025.

Kontrollpanel (linker bzw oberer Teil des Simulators)

Mit den Schiebereglern können sie den Kraftwerkspark verändern. Es wird sofort neu simuliert. Mit dem Button "Gehe zu Speicherattribute/Strategie" können Sie entsprechende die Parameter der Speicher oder den Import/Export ändern oder eine andere Strategie auswählen. Jedes Verschieben der Regler und jede neue Auswahl einer Strategie bewirkt eine Neu-Simulation.

Ergebnisfenster (rechts bzw. unten)

Oben ist das Jahresprofil des Energiemix abgebildet. Durch Klicken oder Ziehen mit der Maus im oberen Diagramm können Sie unten jeweils einen detaillierten Wochenzeitraum darstellen. Wichtig: Die Summe der gerade erzeugten Leistungen abzüglich der exportierten bzw in Speicher geleiteten Leistungen (unter der Null-Linie) ergibt genau die Nachfrage (schwarze Kurve), außer es ist load shedding, die Vorstufe eines Blackouts, angesagt.

Mit dem Button "Gehe zur Speicheransicht" im Kontrollpanel sehen Sie das gleiche für die Speicherzustände (geladene Energie).

Der CO_2eq Footprint und eine evtl Kannibalisierung vor allem der Windenergie werden unten im Kontrollpanel dargestellt. Hinweis: 2025 beträgt der Footprint der deutschen Energiequellen nicht, wie oft kolportiert, um 340 g/kWh (siehe z.B. Electricitymaps in der Standardeinstellung, sondern um 370 g/kWh, was man sieht, wenn man rechts oben beim Zahnradsymbol die "Electricity flows" ausstellt. Der Unterschied kommt durch die "sauberen" Importe von Hydro-Strom aus Skandinavien und Kernkraftstrom aus Frankreich zu Zeiten, in denen der heimische Mix besonders "dreckig" ist.

Der Kraftwerkspark

Solar

Der Solar-Output ist direkt proportional zur einfallenden Gesamtstrahlung (diffus und gerichtet), der im Simulator anhand der gemessenen Einstrahlungsintensität an 6 Standorten für typische Regionen (SO, SW, Mitte-Ost, Mitte-West, NO, NW) modelliert wird. Eine Verfeinerung auf mehr Regionen bringt kaum mehr Genauigkeit, würde aber im Simulator zur mangelnden Responsiveness führe.

Solarpanels haben einen Wirkungsgrad von etwa 20%, der jedoch bei Kälte/Wärme zunimmt bzw abnimmt. Im Simulator wird die Nennleistung bei einer Einstrahlungsstärke von 1000 W/m² im Frühjahr und Herbst angenommen. Im Winter bzw Sommer würden dann bei 1000 W/m² 108% bzw 92% der Nennleistung abgegeben (wobei der Winter-Wert nie erreicht wird; im Winter haben Solarzellen in Deutschland einen Kapazitätsfaktor von gerade mal 3%)

Windenergie

Unterschieden weden vier Onshore-Standorte (Süddeutschland, Mitteldeutschland, NO- und NW-Deutschland) sowie zwei Offshore-Regionen (Ostsee, Nordsee) mit typischen Winddaten. Prinzipiell skaliert die Windkraftleistung mit der dritten (!) Potenz der Windgeschwindigkeit, was anhand der Energieflussdichte durch eine Fläche A klar wird:

P=W/t=1/2*rho*A*x*v²/t=1/2*rho*A*v³

In Praxi gibt es bei WKAs drei Grenzgeschwindigkeiten v_ci und folgende Leistungscharakteristik:

P=0 falls v < v_c1
P=P_N(v/v_c2)^3 falls v_c1 < v < v_c2
P=P_N falls v_c2 < v < v_c3
P=0 falls v > v_c3 (Sturm)

wobei alle drei Grenzgeschwindigkeiten bei Offshore-WKA höher sind als bei Onshore.

Kern-, Kohle und Gaskraftwerke

Diese werden durch ihren Kapazitätsfaktor (Anteil der Zeiten, zu denen sie online sind), ihrer Lastfolgefähigkeit (Prozent der Nennleistung pro Stundeund) ihrer minimalen Leistung in Prozent der Maximal- bzw Nennleistung charakterisiert:

Kraftwerk	Kapazitätsfaktor	Lastfolge	P_min
Kernkraft	90%	40% / h	40%
Gaskraft	90%	100% / h	10%
Kohlenkraft	90%	30% / h	20%

Sonstige

Biomasse und Wasserkraft wird als gegeben und unveränderbar angenommen (um den Simulator nicht zu überladen), weitere Kraftwerksarten wie Öl oder Benzin haben nur einen minimalen Anteil und werden ignoriert.

Leistung Biomasse: 4.8 GW konstant
Leistung Laufwasser: 2 GW konstant

Energieflüsse zum Ausgleich: Speicher, Import und Export

Speicher

Es gibt im Simulator drei Speicherkategorien:

Batteriespeicher: Einstellbare Lade- und Entladeleistung sowie Kapazität, vorgegebener Roundtrip-Wirkungsgrad 80%
Hydro-Speicher (Punpspeicher): Vorgegeben Lade- und Entladeleistung von 9.4 GW, vorgegebene Kapazität von 40 GW (da Hydrospeicher in Deutschland ausgereizt sind), fester Roundtrip-Wirkungsgrad 80%.
Power2Gas bzw H₂-Speicher. Beim H2-System ist im Allgemeinen die Ladeleistung (durch Hydrolyseure) viel geringer als die Entladeleistung (durch Gaskraftwerke oder Brennstoffzellen), sodass sie neben der Energie (bis in den zweistelligen TWh-Bereich) separat geregelt werden können. Der Roundtrip-Wirkungsgrad des gesamten H2-Systems (Elektrolyse, evtl. Methanisierung, Transport zur Kaverne, Ein- und Auslagern, Transport zum Gaskraftwerk, Verbrennen) wird mit 24% angenommen.

Wichtig: In der Speicheransicht wird die letztendlich nutzbare gespeicherte elektrische Energie abzüglich aller Wirkungsgrade angegeben. 1 GWh Strom zum Einspeichern ins Wasserstoffsystem ergeben also nur 240 MWh gespeicherte Elektrizität.

Import/Export

Einstellbare maximale Import=Exportleistung. Wichtig:: Da ich die Kupferplatte Deutschland annehme, sind die für den Jetztfall 2025 simulierten Importe und Exporte sehr viel kleiner als die publizierten, die Differenz (Importüberschuss von 22 TWh) stimmt aber. Das kommt einfach daher, da ich, im Gegensatz zur Wirklichkeit mit Leitungsengpässen, nie gleichzeitigen Import und Export an verschiedenen Kuppelstellen annehme.

Strategien

Im Allgemeinen ist (hoffentlich!) immer mehr Strompotential verfügbar als nachgefragt wird: Würde man den gesamten Kraftwerkspark maximal aufdrehen, die Speicher mit maximaler Leistung entleeren und so viel es geht importieren, so hätte man oft ein Vielfaches der Last. Die Strategie muss also entscheiden, was abgeschaltet wird, ob die Speicher nicht besser geladen als entladen oder ob nicht besser exportiert statt importiert wird. Die Nachfrage muss 24/7/365 genau gedeckt werden! Im Simulator kann man folgende Strategien wählen:

Strategie "2025"

Die genaue 2025 realisierte Strategie weicht sicherlich etwas ab, aber im Wesentlichen gilt folgendes Regelwerk

Nehme zunächst maximale Einspeisung von Solar und Wind sowie minimale Leistung konventioneller Kraftwerke an
Falls dies die Last bereits übersteigt, exportiere, andernfalls importiere zum Lastausgleich
Falls immer noch eine Nachfrage-Angebot-Diskrepanz besteht, gleiche diese, so weit es geht, zuerst mit Pumpspeichern und Batterien, dann mit H2-Speichern aus.
Falls immer noch zu viel Angebot besteht, betreibe (so weit es geht) Curtailment in der Reihenfolge Wind Offshore, Wind Onshore, Solar. Falls dann immer noch zu viel Angebot besteht, ist der Notfall Hellbrise eingetreten, der zwei Stufen enthält: Herunterfahren der konventionellen Kraftwerke unterhalb der Sicheheitslimits bzw Abschalten und Blackout durch Schwingungsinstabilität.
Falls hingegen nach dem Abgleich mit Import/Export und Batterien zu wenig Angebot besteht, drehe Kohle- und Gaskraftwerke im Verhältnis 5:4 bis zur maximalen Leistung auf
Falls immer noch zu wenig Angebot da ist, ist der Notfall Dunkelflaute eingetreten. Auch dieser hat zwei Stufen: Zunächst load shedding (einige Nachfrager werden nicht mehr bedient), dann Blackout durch Angebotsmangel.

Strategie "Klimaschoner"

Nehme zunächst maximale Einspeisung von Solar, Wind und Nuklear sowie minimale Leistung konventioneller Kraftwerke an
Import/Export und Laden/Entladen der Speicher werden vertauscht.
Falls immer noch zu viel Angebot besteht, betreibe (so weit es geht) Curtailment in der Reihenfolge Wind Offshore, Wind Onshore, Solar, Kernkraft. Falls dann immer noch zu viel Angebot besteht, ist der Notfall Hellbrise eingetreten, der wie oben behandelt wird
Falls hingegen nach dem Abgleich mit Import/Export und Batterien zu wenig Angebot besteht, drehe zuerst die Gaskraftwerke, erst dann die Kohlekraftwerke auf.
Falls immer noch zu wenig Angebot da ist, ist der Notfall Dunkelflaute eingetreten (siehe oben).

Strategie "Safety First"

Schaue zunächst, was passiert, wenn ich den gesamten Kraftwerkspark auf Maximum aufdrehe
Falls zu viel Energie, lade zuerst die Hydro- und Batteriespeicher auf, dann erst die H2-Speicher
Ausgleich durch Import/Export.
Falls im vorherigen Schritt zu wenig Energie im System ist, entlade die Speicher, erst Hydro, dann Batterien, dann H2. Letzte Chance für den Ausgleich. Ansonsten tritt auch hier der Krisenfall Dunkelflaute ein.
Falls nach Speicher laden und Export immer noch zu viel Energie im System, betreibe Curtailment bis zum Minimum in möglichst klimafreundlicher Reihenfolge (da keine Relevanz für die Sicherheit): Kohle -> Gas -> Offshore -> Onshore -> Solar -> Nuklear. Falls dann immer noch zu viel Energie im System, haben wir die schon bekannte Hellbrise.

Strategie "Grün"

Diese ist wie die Strategie "Klimaschoner", nur dass Kernkraft zuerst als auf das Minimum gefahren angenommen wird und nur, wenn es nicht anders geht, wieder hochgedreht wird.