Einsatz von BHKW mit Wärmespeicher im virtuellen Kraftwerk

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1 Einsatz von BHKW mit Wärmespeicher im virtuellen Kraftwerk Dipl.-Ing. Sebastian Spieker Prof. Dr.-Ing. George Tsatsaronis Technische Universität Berlin Institut für Energietechnik Fachgebiet: Energietechnik und Umweltschutz

2 1/2 BETRACHTETES VIRTUELLES KRAFTWERK 4 identische BHKW-Anlagen jeweils in einem unterschiedlichen Gebäude betrachtete BHKW-Anlagen Gebäude BHKW: 1/22, 2/4, 35/67, 5/94 [kw el /kw th ] MFH 3 (Berlin) Pufferspeicher (PS): -1 BHKW-VBH Wärmebedarf: 293 MWh/a Spitzenlastkessel (SLK): 145 kw th Strombedarf: 9 MWh/a E-Heizer: 1% der th. BHKW-Leistung Lastprofile: VDI 4655

3 Wärmebedarf/ th. Leistung [kw] Wärmebedarf/ th. Leistung [kw] Wärmebedarf/ th. Leistung [kw] Wärmebedarf/ th. Leistung [kw] 2/2 JAHRESDAUERLINIEN DER UNTERSUCHTEN BHKW BHKW 5 kw el 14 BHKW 35 kw el BHKW: ca. 3. Vbh KWK-Wärme: 99,6% PS: 3 BHKW-Vbh (7 m³) BHKW: ca. 4. Vbh KWK-Wärme: 95,3% PS: 3 BHKW-Vbh (5 m³) Stunden Stunden BHKW 2 kw el 14 BHKW 1 kw el BHKW: ca. 5. Vbh KWK-Wärme: 73,2% PS: 3 BHKW-Vbh (3 m³) BHKW: ca. 6. Vbh KWK-Wärme: 47,3% PS: 3 BHKW-Vbh (1,5 m³) Stunden Stunden

4 3/2 EINGANGSDATEN - BETRACHTUNGSJAHR 213 Kosten Investitionskosten (VDI 267; Abschreibung:1 Jahre mit Restwert, Zinssatz: 6%) Betriebs- und Wartungskosten Brennstoffkosten Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) Besicherungskosten (MR: 1%, SRL: 25% des Leistungspreises) Vergütungen Wärme: Wärmevollkosten eines Gas-Heizkessels KWK-Strom: Netzeinspeisung (KWKG oder Day-Ahead), Objektvermarktung* KWK-Zulage vnne: Arbeitspreis und Leistungspreis (Standort: Berlin) Regelleistung: mittlere Leistungspreise (MR & SRL) * Vergütung = Haushaltskundentarif abzgl. MwSt., abzgl. EEG-Umlage und bei gesteuertem Betrieb (VK) abzgl. Stromsteuer

5 4/2 METHODIK Mathematisches Modell gemischt-ganzzahlige Optimierung (MILP) Solver: Gurobi Betrachtungshorizont: 1 Jahr (stündliche Auflösung: 876 h) rollierender, überlappender Zeithorizont (12 Tage) Regelleistung*: sämtliche vermarktete Regelleistung muss bereitgestellt werden können, Abrufkosten werden über den Arbeitspreis gedeckt Intraday-Handel*: Im Fall von Regelenergieabrufen kann der zukünftige Fahrplan durch Intraday-Handel angepasst werden (mind. 45 Min. Vorlauf) *Modellierung siehe: Spieker, S., Christidis, A., Tsatsaronis, G.: Einsatz von BHKW mit Wärmespeicher im virtuellen Regelenergiekraftwerk, In VDI Wissensforum GmbH (Hrsg.), 1. Fachtagung Optimierung in der Energiewirtschaft 213, S , Köln, 213

6 5/2 UNTERSUCHTE FRAGESTELLUNGEN A) Optimale Dimensionierung des BHKW und Pufferspeichers in Abhängigkeit der Vermarktungsvariante (KWK-Strom und Regelleistung) B) Untersuchung weiterer Einflussgrößen für Referenzanlage BHKW: 35 kw el (4. Vbh) Pufferspeicher: 3 Vbh im virtuellen Regelenergiekraftwerk: 1) E-Heizer-Dimensionierung 2) Intraday-Handel zur Fahrplankorrektur nach erfolgten Regelenergieabrufen 3) Zusatzbesicherung (vermarktete Regelenergie > Arbeitsvermögen) 4) Strom- und Regelenergiepreisentwicklung ( )

7 6/2 A) VERMARKTUNGSVARIANTEN Wie hängt die Wirtschaftlichkeit und die optimale Dimensionierung des BHKW und Pufferspeichers von der gewählten Vermarktungsvariante ab? Vermarktungsvariante KWK-Strom Regelleistung Konv1) Volleinspeisung Netzeinspeisung (KWKG) - Konv2) Objektversorgung Stromverkauf an Mieter+ Überschusseinspeisung (KWKG) - VK1) Virtuelles Kraftwerk (VK) Netzeinspeisung (Day-Ahead) - VK2) Virtuelles Regelenergiekraftwerk (VRK) Netzeinspeisung (Day-Ahead) MR & SRL VK3) Virtuelles Regelenergiekraftwerk mit Objektversorgung Stromverkauf an Mieter+ Überschusseinspeisung (Day-Ahead) MR & SRL

8 Kostenvorteil gegenüber getrennter Erzeugung [ /a] IRR el. BHKW-Leistung [kw el ] Pufferspeicherkapazität [BHKW-Vbh] BHKW-Vollbenutzungsstunden [h] 7/2 VERMARKTUNGSVARIANTEN: BESTLÖSUNGEN kw el 2 Vbh 5215 h 2 kw el 2 Vbh 5163 h 13,4% 2 kw el 3 Vbh 5274 h 35 kw el 5 Vbh 486 h 2 kw el 5 Vbh 526 h 14,2% ,1% 3,2% 6,6% Volleinspeisung ungesteuert Objektversorgung VK VRK VRK mit Objektversorgung gesteuert

9 BHKW- Vollbenutzungsstunden [h] Kostenvorteil gegenüber getr. Erzeugung [ /a] 8/2 ZU VK1) VIRTUELLES KRAFTWERK (VK) max. IRR:,8% 3,2 % 3,7 % 2,8% /a BHKW BHKW BHKW BHKW 1 kw el 2 kw el 35 kw el 5 kw el Pufferspeicherkapazität ohne 2 Vbh 3 Vbh 5 Vbh 1 Vbh optimale Dimensionierung*: BHKW: 2-35 kw el (ca Vbh), PS: 2-3 Vbh *Für das hier betrachtete Gebäude: MFH3.

10 Ø Preis der Stromeinspeisung [ /MWh] Kostenvorteil gegenüber getr. Erzeugung [ /a] 9/2 ZU VK1) VIRTUELLES KRAFTWERK (VK) max. IRR:,8% 3,2 % 3,7 % 2,8% /a BHKW BHKW BHKW BHKW 1 kw el 2 kw el 35 kw el 5 kw el Pufferspeicherkapazität ohne 2 Vbh 3 Vbh 5 Vbh 1 Vbh 45 4 Ø Day-Ahead Preis 213: 37,78 /MWh 35 flexibler, strompreisorientierter Betrieb erst mit 5 kw el -BHKW (ca. 3. Vbh)

11 Erlöse aus der Regelenergie [ /a] Kostenvorteil gegenüber getr. Erzeugung [ /a] 1/2 ZU VK2) VIRTUELLES REGELENERGIEKRAFTWERK (VRK) max. IRR: 3,8% 6,3 % 6,6 % 5,1% /a BHKW BHKW BHKW BHKW 1 kw el 2 kw el 35 kw el 5 kw el Pufferspeicherkapazität Vbh 2 Vbh 3 Vbh 5 Vbh 1 Vbh mittlere Erlöse aus der Stromvermarktung (EPEX) 2. optimale Dimensionierung: BHKW: 2-35 kw el (ca Vbh), PS: 3-5 Vbh

12 Erlöse aus der Regelenergievermarktung [ /a] 11/2 ZU VK2) VIRTUELLES REGELENERGIEKRAFTWERK (VRK) BHKW 35 kw el SRL- SRL+ MR- MR+ 1 VBH 2 VBH 3 VBH 5 VBH 1 VBH Pufferspeicherkapazität Es wird nur negative Regelleistung bereitgestellt.

13 el. KWK- Deckungsgrad Kostenvorteil gegenüber getr. Erzeugung [ /a] 12/2 ZU VK3) VIRTUELLES REGELENERGIEKRAFTWERK (VRK) MIT OBJEKTVERSORGUNG (STROMVERKAUF AN MIETER) max. IRR: 12,9% 14,3 % 11,6 % 8,3% % /a BHKW BHKW BHKW BHKW 1 kw el 2 kw el 35 kw el 5 kw el Pufferspeicherkapazität ohne 2 Vbh 3 Vbh 5 Vbh 1 Vbh 6% 4% 2% % optimale Dimensionierung: BHKW: 1-35 kw el (ca Vbh), PS: 3-5 Vbh (höchster el. KWK-Deckungsgrad)

14 13/2 ZU A) VERMARKTUNGSVARIANTEN FAZIT Das betrachtete auf Klein-BHKW-Anlagen basierende virtuelle Kraftwerk ist nur wirtschaftlich, wenn zusätzlich zur Börsenvermarktung des KWK-Stroms Regelenergie bereitgestellt und/oder der KWK-Strom auch im Gebäude vermarktet wird (Direktverbrauch durch Mieter). Die Erlöse aus der Regelenergievermarktung können ein ähnliches Niveau wie die Erlöse aus der Börsenvermarktung des KWK-Stroms erreichen. optimale Dimensionierung in Abhängigkeit der Vermarktungsvariante*: Vermarktungsvariante BHKW Pufferspeicher VK1) Virtuelles Kraftwerk (VK) Vbh 2-3 Vbh VK2) Virtuelles Regelenergiekraftwerk (VRK) Vbh 3-5 Vbh VK3) Virtuelles Regelenergiekraftwerk mit Objektversorgung Vbh 3-5 Vbh *Für das hier betrachtete Gebäude: MFH3.

15 14/2 UNTERSUCHTE FRAGESTELLUNGEN A) Optimale Dimensionierung des BHKW und Pufferspeichers in Abhängigkeit der Vermarktungsvariante (KWK-Strom und Regelleistung) B) Untersuchung weiterer Einflussgrößen für Referenzanlage BHKW: 35 kw el (4. Vbh) Pufferspeicher: 3 Vbh im virtuellen Regelenergiekraftwerk: 1) E-Heizer-Dimensionierung 2) Intraday-Handel zur Fahrplankorrektur nach erfolgten Regelenergieabrufen 3) Zusatzbesicherung (vermarktete Regelenergie > Arbeitsvermögen) 4) Strom- und Regelenergiepreisentwicklung ( )

16 15/2 1) E-HEIZER-DIMENSIONIERUNG E-Heizer: % kw el BHKW: 35 kw el / 67 kw th Pufferspeicher: 3 Vbh (5 m³) E-Heizer: 5% 33,5 kw el E-Heizer: 1% 67 kw el E-Heizer: 2% 134 kw el Kostenvorteil [ /a] int. Zinssatz [%] 4,2 5,4 6,6 6,7 Wärme [ /a] KWK-Zulage [ /a] vnne [ /a] Stromerlöse [ /a] RL [ /a] MR+ [ /a] MR- [ /a] SRL+ [ /a] 4 4 SRL- [ /a] optimaler E-Heizer: kw el 1 2% der th. BHKW-Leistung bzw. 2 4% der Ø Wärmelast

17 16/2 2) INTRADAY-HANDEL ZUR FAHRPLANKORREKTUR BHKW: 35 kw el / 67 kw th Pufferspeicher: 3 Vbh (5 m³) E-heizer: 67 kw el Vorhaltung negativer RL P mit Intraday-Handel ohne Intraday-Handel Kostenvorteil [ /a] int. Zinssatz [%] 6,6 6,2 BHKW-Vbh [h] ID ID AP FP AP FP Q P el Wärme [ /a] KWK-Zulage [ /a] AP RL ID P el vnne [ /a] Stromerlöse [ /a] ID AP RL RL [ /a] MR+ [ /a] 1 2 MR- [ /a] SRL+ [ /a] SRL- [ /a] Speicherbeladung steigt durch RL-Abrufe Anpassung des zukünftigen Fahrplans Wärmeerzeugung sinkt, Stromkauf am Intraday- Markt

18 17/2 3) ZUSATZBESICHERUNG (VERMARKTETE REGELENERGIE > ARBEITSVERMÖGEN ) BHKW: 35 kw el / 67 kw th Pufferspeicher: 3 Vbh (5 m³) E-heizer: 67 kw el Zusatzbesicherung (Annahmen) ohne Zusatzbesicherung mit* Zusatzbesicherung Die BHKW-Anlagen müssen Kostenvorteil [ /a] int. Zinssatz [%] 6,6 8,2 BHKW-Vbh [h] Wärme [ /a] KWK-Zulage [ /a] vnne [ /a] Stromerlöse [ /a] RL [ /a] einzelne RL-Vollabrufe mit einer Dauer von bis zu 2 h erbringen können. 2. ein Regelenergiearbeitsvermögen von mind. 25% pro Stunde aufweisen. Die Regelleistungserbringung wird in allen anderen Fällen ggf. durch den Besicherer übernommen. MR+ [ /a] 1 38 MR- [ /a] SRL+ [ /a] 19 SRL- [ /a] *Wirtschaftlichkeitsberechnung ohne Berücksichtigung von Kosten für die Zusatzbesicherung

19 Regelleistung [kw] Regelleistung [kw] 18/2 3) ZUSATZBESICHERUNG (VERMARKTETE REGELENERGIE > ARBEITSVERMÖGEN ) ohne Zusatzbesicherung RL+ RL- MR [MWh] SRL [MWh] pos. neg Zeit [Tage] mit Zusatzbesicherung RL+ RL- MR [MWh] SRL [MWh] pos neg Zeit [Tage]

20 19/2 4) STROM- UND REGELENERGIEPREISENTWICKLUNG ( ) BHKW: 35 kw el / 67 kw th Pufferspeicher: 3 Vbh (5 m³) E-heizer: 67 kw el Kostenvorteil [ /a] int. Zinssatz [%] 7,3 5,8 6,6 Wärme [ /a] KWK-Zulage [ /a] vnne [ /a] Stromerlöse [ /a] RL [ /a] MR+ [ /a] MR- [ /a] SRL+ [ /a] - SRL- [ /a] mittlerer Strompreis (Day-Ahead) [ /MWh] ,13 42,6 37,78 mittlerer MR-Leistungspreis [ /(MW*a)] Pos Neg mittlerer SRL-Leistungspreis [ /(MW*a)] Pos Neg

21 2/2 ZU B) REFERENZANLAGE IM VRK - FAZIT 1. E-Heizer Die E-Heizer-Leistung sollte mind. der thermischen BHKW-Leistung und ca. 2% der durchschnittlichen Wärmelast entsprechen. 2. Intraday-Handel Die Möglichkeit im Fall von Regelenergieabrufen durch Intraday-Handel den zukünftigen Fahrplan anzupassen, führt nur zu einer geringfügigen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. 3. Zusatzbesicherung Durch die Zusatzbesicherung kann in Zeiten mit geringer Wärmenachfrage deutlich mehr Regelleistung vermarktet werden. Erst durch die Zusatzbesicherung wird die Bereitstellung von positiver Regelleistung wirtschaftlich.

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Sebastian Spieker Institut für Energietechnik Institut für Energietechnik Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz Technische Universität Berlin Marchstraße 18, 1587 Berlin Tel.: ++49 () Fax: ++49 ()

23 ANHANG

24 ANHANG: EINGANGSDATEN UND ANNAHMEN I TECHNISCHE DATEN BHKW elektr. Leistung th. Leistung Stromkennzahl: Volllast Stromkennzahl: Mindestlast Gesamtwirkungsgrad elektr. Mindestlast 1 kw el 22 kw th,45,32 2 kw el 4 kw th,5,38 35 kw el 67 kw th,52,41 5 kw el 94 kw th,53,42 95 % 5 % Spitzenlastkessel Pufferspeicher th. Leistung Gesamtwirkungsgrad Wärmeverluste Temperaturspreizung 145 kw th 96%,5 % pro Stunde 4 K

25 ANHANG: EINGANGSDATEN UND ANNAHMEN II VERGÜTUNGEN Wärmepreis Stromeinspeisung Stromverkauf an Mieter (Direktverbrauch durch Dritte) Vollkostenrechnung für Gas-Brennwertkessel Day-Ahead (EPEX) Haushaltskundenpreis abzgl. MwSt, abzgl. EEG-Umlage und bei gesteuertem Betrieb (VK) abzgl. Stromsteuer KWK-Zulage 5,11 ct/kwh el (bis 7.212) 5,41 ct/kwh el (ab 7.212) vnne Regelenergiebereitstellung AP und LP der vorgelagerten Netzebene (Standort: Berlin) - mit Regelenergiebereitstellung: verstetigte Leistung - ohne Regelenergiebereitstellung: individuelle Leistung mittlere mengengewichtete Leistungspreise

26 ANHANG: EINGANGSDATEN UND ANNAHMEN III KOSTEN Investitionskosten (inkl. Installation, zzgl. 1% für Planung und Unvorhergesehenes) BHKW (1-5 kw el ) Spitzenlastkessel (5-25 kw th ) E-Heizer (2-1 kw el ) Pufferspeicher* (1-1 m³) 19. +P el 1.45 /kw el 5.9 +P th 6 /kw th P el 3 /kw el 5 +V 135 /m³ Brennstoff- und Wartungskosten *abzgl. Wärmespeicherförderung (25 /m³) Gaskosten Verivox: Verbraucherpreisindex BHWK- Wartungskosten (8 + 2,25 * P el max ) ct/bh Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) Besicherung nur RLM Einbindung-VK (inkl. RLM, ohne SRL) Einbindung-VK (inkl. RLM, mit SRL) Minutenreserve Sekundärregelleistung 5 /a 8 /a 9 /a 1% des Leistungspreises 25% des Leistungspreises

27 ANHANG: REGELLEISTUNG I max. Zeit bis zur vollständigen Aktivierung Sekundärregelleistung (SRL) 5 Min. 15 Min. Minutenreserveleistung (MR) Produkte positive SRL, negative SRL positive MR, negative MR Mindestangebotsgröße 5 MW 5 MW Blockangebote Zeitscheiben bei Abruf ist eine Leistungsüberschreitung von bis zu 5 MW zulässig 2 pro Kalenderwoche: HT: werktags, 8-2 Uhr NT: übrige Zeit max. 25 MW 6 pro Tag: 4, 4-8, 8-12, 12-16, 16-2 und 2-24 Uhr Angebotsabgabefrist Mittwoch der Vorwoche, 15 Uhr vorheriger Werktag, 1 Uhr

28 mittlerer Leistungspreis [ /(MW Woche] ANHANG: REGELLEISTUNG II positive Minutenreserve _4 4_8 8_12 12_16 16_2 2_

29 mittlerer Liestungspreis [ /(MW Woche)] ANHANG: REGELLEISTUNG III negative Minutenreserve _4 4_8 8_12 12_16 16_2 2_

30 mittlerer Leistungspreis [ /(MW Woche)] ANHANG: REGELLEISTUNG IV positive SRL NT HT

31 mittlerer Leistungspreis [ /(MW Woche)] ANHANG: REGELLEISTUNG V negative SRL NT HT

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