KWK konkret im Rahmen der Berliner Energietage: Zukunftsperspektive KWK Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern dezentraler KWK-Anlagen

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1 KWK konkret im Rahmen der Berliner Energietage: Zukunftsperspektive KWK Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern dezentraler KWK-Anlagen Oliver Donner

2 Kurzvorstellung Oliver Donner Dipl.-Ing. Oliver Donner Jahrgang 1961 Studium des Maschinenwesens an der RWTH Aachen, Fachrichtung Wärme- und Energietechnik 1991 bis 1992: Planer und Berater bei AEW Plan GmbH, Köln 1993 bis 2002: Planer und Berater bei BFT Planung GmbH, Aachen 2002 bis 2004: Technischer Leiter St.-Antonius-Hospital Eschweiler 2005 bis 2008: Projektleiter Stadtwerke Aachen AG im Bereich Energielösungen, Contracting KWK, Bio-Erdgas seit 2008: Berater bei BET Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH in Aachen, seit : Fachteamleiter FT KWK, CO 2, EEG Thematische Schwerpunkte: Energienahe Dienstleistungen, Contracting Vertrieb Kraft-Wärme-Kopplung Erneuerbare Energien 2

3 Inhalt Ausgangslage I Teil 1 I Potentialschätzung Wärmespeichereinsatz I Teil 2 I Einsatzsimulation Nutzung Wärmespeicher I Teil 3 I Ergebnisse I Teil 4 I 3

4 Ausgangslage Die aktuellen energiepolitischen Entwicklungen stellen zunehmend Flexibilitätsanforderungen an den (Strom-)Erzeugungspark, die von KWK-Anlagen im besonderen Maße bedient werden können, sofern entsprechende Flexibilität der Anlagen gegeben ist KWK-Anlagen sind heute oft wärmeseitig ausgelegt und weisen hohe Benutzungsstunden auf. Dies bedingt eine geringe (bei kleinen Wärmespeichern) oder keine Flexibilität (ohne Wärmespeicher). Die Flexibilität von KWK-Anlagen lässt sich durch Installation bzw. Vergrößerung von Wärmespeichern erzielen bzw. erhöhen. Zusätzliche Flexibilität kann durch Leistungszubau erreicht werden. Untersucht wird die Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern (bei konstantem Gesamtwärmeabsatz) Wirtschaftlichkeit des Leistungszubaus (nur bezogen auf Flexibilisierung der Stromerzeugung ) 4

5 Ausgangslage Strom und Wärme werden durch KWK- Anlagen zeitlich gekoppelt erzeugt, dabei fallen Wärmebedarf und Strombedarf oft nicht zeitgleich an. Folgen sind bei der wärmegeführten Fahrweise: Strom- und Wärmeproduktion erfolgt nicht in den Zeiten, bei der die höchsten Stromerlöse zu erzielen sind. stromgeführten Fahrweise: Strom- und Wärmeproduktion erfolgt in Zeiten, in denen keine oder weniger Wärme benötigt wird oder nicht in Zeiten, in denen Wärme benötigt wird. Optionen: Nutzung von Wärmespeichern zur zeitlichen Entkopplung der Stromerzeugung vom Wärmebedarf Leistungserhöhung der Anlage zur stärkeren Konzentration der Strom- und Wärmeerzeugung auf Zeiten hoher Strompreise 5

6 Potentialschätzung Wärmespeichereinsatz (1) Verlagerung des KWK-Betriebs in die Stunden mit den höchsten Strompreisen eines Tages (Strom-Spotmarkt) Speicherung der überschüssigen Wärme, Entladung in Zeiten niedriger Strompreise Erste Annahme: Bei üblicher Auslegung einer KWK-Anlage ist eine Verlagerung der KWK-Produktion nur während des Sommers und der Übergangszeit möglich. Leistungserhöhung Wärmeleistung KWK mit kleinem oder ohne Speicher Wärmeleistung KWK mit Speicher 6

7 Potentialschätzung Wärmespeichereinsatz (2) Untersuchung historischer Spotpreise des Strommarktes von 2002 bis 2010 Ermittlung des Verhältnisses zwischen durchschnittlichen Strompreisen in den teuersten Stunden des Tages zum Tagesdurchschnittspreis (Tages-Base) für die jeweiligen Jahre 7

8 Potentialschätzung Wärmespeichereinsatz (3) Die Untersuchung der Spotpreise zeigt deutliche Schwankungen des Verhältnisses der Strompreise in den teuersten Stunden eines Tages im Vergleich zum Tagesbase. Festzustellen ist aber auch, dass sich der Tagesspread merklich reduziert hat 8

9 Einsatzsimulation Nutzung Wärmespeicher (Vorgehensweise) Einsatzsimulation mit und ohne Wärmespeicher (unterschiedliche Speichergrößen) Beispielhafter Wärmelastgang (Prägung Wohnen ) Beispielanlagen: BHKW-Anlage: P el = 3,8 MW, P th =3,96 MW Leistungserhöhung: + 25 % KWK-Leistung, Betrachtung nur im Hinblick auf Flexibilisierung Berechnungsroutine: Je Tag Verlagerung des Wärmebedarfs in die Stunden mit den höchsten Strompreisen bei Nutzung eines Wärmespeichers Stromvermarktung am Spotmarkt in den Stunden, in denen der Grenzpreis der Stromerzeugung unter dem Marktpreis liegt und Wärmebedarf bzw. mit Hilfe des Wärmespeichers verlagerter Wärmebedarf besteht Ergebnisse: Mehrerlös in pro Jahr für das jeweilige Jahr unter Berücksichtigung von Brennstoffkosten für die KWK-Anlage und den Kessel sowie Wärmeverlustkosten für Speicherung (Reduzierung der Wartungskosten durch Entfall Teillastbetrieb vernachlässigt) Berechnung der Gesamtkapitalrendite (Betrachtungszeitraum 20 Jahre) 9

10 Einsatzsimulation Nutzung Wärmespeicher (optimale Speichergröße) Je größer der installierte Speicher, desto mehr Stromerzeugung kann in hochpreisige Stunden verlagert werden. Dieser Effekt wird kompensiert durch steigende Investitionskosten für einen größeren Speicher. Der hier installierte Speicher ist mit 15 MWh Speicherinhalt (BHKW) für das angesetzte Wärmelastprofil optimal ausgelegt. Eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Speichers bedeutet eine Verschlechterung der Kapitalrendite. Ansatz der Stundenstrompreise mit einer HPFC für In der Variante Ansatz eines höheren mittleren Tagesspreads 10

11 Einsatzsimulation Nutzung Wärmespeicher (optimale Speichergröße) 11

12 Ergebnisse Treiber für die dargestellten Ergebnisse ist die Höhe der Tagesspreads. Erwartet werden mit zunehmender Stromeinspeisung fluktuierender Erzeuger mittelfristig wieder steigende Tagesspreads; aktuell sind die Tagesspreads im Vergleich der letzten Jahre sehr niedrig. Die aktuelle Preissituation verbunden mit der Unsicherheit der zukünftigen Preisentwicklung über den Betrachtungszeitraum - reicht offensichtlich nicht aus, um die vorhandenen Flexibilitätspotenziale auszuschöpfen. Die Aktivierung der zukünftig dringend benötigten Flexibilitätspotenziale dürfte folglich nur mit zusätzlichen Anreizen möglich sein. Dies könnte durch Schaffung eines reduzierten KWK-Zuschlages für Modernisierungen, die beispielsweise 25 % der Kosten eines Anlagenneubaus betragen, unterstützt werden. Die Leistungserhöhung von KWK-Anlagen ist noch stärker abhängig von hohen Tagesspreads, bietet bei entsprechenden Erlösen aber auch eine höhere Rendite als Wärmespeicher. 12

13 Ergebnisse Wärmespeicher ermöglichen darüber hinaus: Betrieb von KWK im optimalen Betriebspunkt durch Vermeidung von Teillast (Effizienzgewinn) Verringerung der Taktung (Erhöhung Lebensdauer) Reduzierung der Wartungskosten 13

14 Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH BET GmbH BET Schweiz AG Aachen Büro Leipzig Büro Hamm Zug Alfonsstraße Aachen Karl-Liebknecht-Straße Leipzig Rotdornschleife Hamm Aegeristrasse Zug Telefon Telefax Telefon Telefax Telefon Telefax Telefon Telefax

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