Regionale Analyse des Potenzials zum verkehrsträgerübergreifenden Austausch erneuerbarer Energien

Abstract

Das vorliegende Forschungsprojekt untersucht das techno-ökonomische Potenzial erneuerbarer Energien für eine regionale und übergreifende Versorgung der Infrastruktur der Verkehrsträger Straße, Autobahn, Schiene und Wasserstraße. Dafür werden zunächst drei regional begrenzte Untersuchungsgebiete identifiziert, die durch eine Kombination aus relevanten Verbrauchern der Verkehrsträger sowie attraktiven Potenzialen für die Stromerzeugung durch Photovoltaik (PV)- oder Kleinwindenergieanlagen gekennzeichnet sind. Modellbasiert wird das regionale Versorgungspotenzial erneuerbarer Energien im techno-ökonomischen Optimum analysiert. Für eine techno-ökonomisch optimale verkehrsträgerübergreifende Versorgung müssen neben vorhandenen Aufdach-PV-Potenzialen auch größere PV-Freiflächenpotenziale erschlossen werden. Durch den Ausbau von PV und Batteriespeichern kann gebietsübergreifend mehr als die Hälfte der stündlichen Stromverbräuche der Verkehrsträger in den Untersuchungsgebieten gedeckt werden. Das hohe Versorgungspotenzial erneuerbarer Energien resultiert zum einen aus Synergieeffekten durch die zeitliche Korrelation des Verbrauchs von Straßentunneln, Bahnunterwerken sowie Ladevorgängen von Elektrofahrzeugen mit der Solarstromerzeugung und zum anderen aus Skaleneffekten, die durch die verkehrsträgerübergreifende Potenzialerschließung verschiedener Verbraucher gehoben werden. Die regionale Versorgung mit erneuerbarer Energie führt im Analysezeitraum fast zu einer Halbierung der CO2-Emissionen der Stromversorgung sowie zu einer signifikanten Ersparnis von Stromversorgungkosten. Das wirtschaftliche Potenzial wird dabei maßgeblich von der Anbindung der Erzeugungsanlagen zum jeweiligen Verbrauchsstandort beeinflusst. Ist die Erzeugungsanlage direkt an den Verbrauchsstandort angeschlossen, können Netzentgelte, Steuern und Umlagen eingespart werden. Wird hingegen das öffentliche Stromnetz genutzt, reduziert dies die Ersparnis deutlich. Im Optimum sind Erzeugungsanlagen so dimensioniert, dass phasenweise deutlich mehr Strom erzeugt als selbst verbraucht wird. Für die Vermarktung dieser Überschusserzeugung bietet sich eine staatliche (EEG-) Förderung mittels fester Einspeisevergütung oder im Marktprämienmodell an. Das Vermarktungspotenzial außerhalb der staatlichen Förderung ist aufgrund der unattraktiven Einspeiseprofile der Reststrommengen begrenzt. Dennoch gibt es sinnvolle Anwendungsfälle für einen verkehrsträgerübergreifenden Stromaustausch mittels langfristiger Stromlieferverträge, wenn eine Synergie zwischen Stromverbrauch der Abnehmer und Solarstromerzeugung besteht, wie zum Beispiel durch die adaptive Beleuchtung von Straßentunneln. Kann der Stromverbraucher direkt an die Erzeugungsanlage angeschlossen werden, ist eine Abnahme der Überschusserzeugung durch die Einsparung von netzseitigen Kosten auch wirtschaftlich sinnvoll. This research project investigates the techno-economic potential of renewable energy for regional and cross-transport sector infrastructure supply, covering road, highway, rail, and waterways. Initially, three regionally confined study areas are identified, characterized by a combination of relevant consumers across transport modes and attractive potential for electricity generation through photovoltaic (PV) or small wind turbines. Using a model-based approach, the regional supply potential of renewable energies is analysed at the techno-economic optimum. For an optimal cross-transport sector supply, larger ground-mounted PV potentials need to be harnessed alongside existing rooftop PV potentials. By expanding PV and battery storage, more than half of the hourly electricity demand of transport modes in the study areas can be met across regions. The high renewable energy supply potential results from synergies due to the temporal correlation between the consumption of road tunnels, railway substations, and electric vehicle charging processes with solar power generation, as well as from economies of scale achieved by cross-sector potential exploitation of various consumers. Regional renewable energy supply leads to nearly a halving of CO2 emissions from electricity generation during the analysis period and to significant cost savings in electricity supply. The economic potential is largely determined by the connection of the generation facility to the consumption site. If the generation facility is directly connected to the consumption site, grid fees, taxes, and levies can be saved. Using the public grid significantly reduces these savings. In the optimal scenario, generation facilities are sized to produce considerably more electricity than consumed in phases. For marketing this surplus generation, government support via fixed feed-in tariffs or market premium models is recommended. The market potential outside of government support is limited due to the unattractive feed-in profile of residual electricity quantities. However, there are meaningful applications for cross-transport sector electricity exchange through long-term power purchase agreements when there is a synergy between the electricity consumption of the buyers and solar power generation, such as adaptive lighting of road tunnels. If the electricity consumer can be directly connected to the generation facility, the purchase of surplus generation becomes economically viable through the savings in grid-related costs.