Optimierter Einsatz von Adiabaten und Diabaten Druckluftspeichern

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1 Optimierter Einsatz von Adiabaten und Diabaten Rupert Hartel, D. Keles, M. Genoese, D. Möst, W. Fichtner EnInnov 21, Graz (IIP), Lehrstuhl für Energiewirtschaft KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

3 Einleitung Warum werden neue Speichertechnologie benötigt? Zunahme fluktuierender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Stromerzeugung korreliert nicht mit der Last Stromüberschuss oder mangel Bedarf an neuen Speichersystemen Welche Speichertechnologie? Druckluftspeicher sind eine vielversprechende Großspeichertechnologie Was entscheidet über den Einsatz dieser Technologie? Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

4 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

5 Ziel Frage: Ist der Einsatz von Druckluftspeicher wirtschaftlich? Antwortfindung: Adiabate und Diabate Druckluftspeicher Techno-ökonomische Parameter Historische Analyse des Jahres 28 Markdaten: Spot-Markt-Preise, Leistungspreise für Minutenreserve, CO2- Preise und Gas-Preise Optimierungsmodell: Zeitraum: 1 Jahr Maximierung des Deckungsbeitrags Gemischt ganzzahlige Optimiermodell i Implementiert in GAMS Bewertung über Kapitalwert Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

6 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

7 Grundlagen: Technik Adiabate und Diabate Druckluftspeicherkonzepte NK HK LT LT NK HK HT NT M G M/G Lufteintritt Wärmespeicher Luftauslass Lufteintritt Q BK RK Erdgas Luftauslass Kaverne Kaverne Charakteristika: Charakteristika: + keine Emissionen + größerer Arbeitsbereich + höher Gesamtwirkungsgrad 7% + geringe spez. Investitionen + Unabhängigkeit von Brennstoffpreisen - Geringer Gesamtwirkungsgrad 57% - Geringerer Arbeitsbereich - Keine Verwendung der Kompressionswärme - Hohe spez. Investitionen - Abhängig von Brennstoff- und CO 2 -Preisen - Kein reiner Speicher Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

8 Grundlagen: Einkommensquellen Spotmarkt: Day Ahead Aktion Stündliche Auflösung Täglicher Handel Spotmarkt: Günstigen Strom einkaufen Strom bei hohen Preisen verkaufen Erlös durch Differenz Primär- und Sekundarregelleistung: Kurze Ansprechzeiten Druckluftspeicher erfüllen die Präqualifikation nicht Monatlicher Handel Tertiärregelleistung: Vorhalten von Reserveleistung Lieferung bei Abruf der Leistung Leistungspreise Arbeitspreise Tertiärregelleistung: min. 15 MW Leistungsgebot volle Leistung in 15 Minuten positive und negative Reserveleistung Täglicher Handel Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

9 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

10 Methodik (I) Das Optimierungsmodell: Zielfunktion: x Erlöse Spotmarkt Turbine( h) pspot ( h) + xreserve ( zs) preserve,min( zs) Erlöse Reservemarkt xkompressor ( h) pspot ( h) Kosten Spotmarkt 876 x loadup, Turbine ( h) c Kosten Laständerung Turbine loadup, Turbine MAX DB Kosten Laständerung Kompressor xloadup, Kompressor ( h) c loadup, Kompressor = =1 h xspot ( h) cvar, Variable Kosten Turbine Turbine x ( ) compress h c Variable Kosten Kompressor var, Kompressor xspot ( h) pgas ( h) Wärmerate Kosten für Brennstoff xspot ( h) pco 2 ( h) EFgas Wärmerate Kosten für CO 2 -Zertifikate Ausgewählte Nebenbedingungen: Legende: x= Leistung [MW] p= Preise [ /MW] c= Kosten [ /MW] Wärmerate [MW in /MW out ] EF= Emissionsfaktor [kg/mw] E= gespeicherte Energie C = Kapitalwert DB= Deckungsbeitrag O&M= Wartungskosten T= Wirtschaftliche h Lebensdauer i= Zins I =Investition E ( h ) = E ( h 1) + x ( h ) Erdgasfakt or x ( h ) E E ( h) E x Reserve Kompressor 1 ( zs) min Turbinet h ts ) ' 4 ( E( h) x ( h' ) zs ZS Turbine min ) max Energiespeicheränderung Angebot Reserveleistung x Turbine, min x Turbine ( h ), x Re serve ( zs ) x Re serve ( zs ) =, x Turbine ( h ) = h zs Leistungsbeschränkung Turbine Kapitalwert: C = T (1 + i) (1 + i) 1 i ( DB O & M ) I T Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

11 Methodik (II) Modelldaten: Technoökonomische Anlagenparameter* Diabat Adiabat Speichervolumen [MWh] Investitionssumme [Mio. ] Wartungskosten [ /MW Turbine *a] Maximale Kompressorkapazität [MW] Maximale Turbinenkapazität [MW] 3 3 Wirkungsgrad [%] 57 7 Wirtschaftliche Lebensdauer [a] Anfahrkosten Turbine u. Kompressor [ /MW loadup ] Minimale Kompressorkapazität [%] 6 8 Minimale Turbinenkapazität [%] 4 4 Variable Kosten [ /MWh] 1, 1, Wärmerate [MWh in /MWh out ] 1,17 Erdgasfaktor [MWh out /MWh in ] 1,49 Marktdaten: Spotmarktpreise Reserveleistungspreise CO 2 -Preise Brennstoffpreise Annahmen: Keine negative Reserve Keine Arbeitspreise Minimale Leistungspreise Risikoaverser Akteur * Gatzen 28: The Economics of Power Storage - Theory and Empirical Analysis for Central Europe Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

12 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

13 Ergebnisse (I) Referenzkonfiguration: Gespe icherte Energie (MW Wh) pot Price ( /MWh) S Stunde (h) Adiabt Diabat Spot Preis Erdgas Preis Druckluftspeicherkraftwerk Diabat Adiabat Ökonomische Ergebnisse Deckungsbeitrag [Mio. ] 12,3 11,26 Spotmarkterlöse [Mio. ] 25,27 16,87 Erlöse aus dem Reservemarkt [Mio. ] 4,16 4,87 Kosten [Mio. ] 17,41 1,49 Betriebsverhalten Betriebsstunden Turbine am Spotmarkt [h] Betriebsstunden Kompressor am Spotmarkt [h] Angebotsstunden am Reservemarkt [h] Ähnlicher Deckungsbeitrag Unterschiedliche h Erlös-/Kostenstruktur t Unterschiedliche Auslastung Adiabat: Spanne Niedrige u. Hohe Spotpreise Diabat: Spanne niedrige u. hohe Spotpreise/Spanne p p Hohe Spotpreise p und niedrige Erdgas Preise Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

14 Ergebnisse (II) Kapitalwerte der Referenzkonfigurationen: Millionen 15 1 Adiabat Diabat talwert [ ] Kapit 5 % 2% 4% 6% 8% 1% 12% Zins [%] Negative Kapitalwerte bei üblichen Zinserwartungen Diabate Druckluftspeicher haben höheren Kapitalwert (geringer Investition aufgrund des fehlenden Wärmespeichers) Kein wirtschaftlicher Einsatz möglich Investition müsste um 34 % (diabat) bzw. um 54 % (adiabat) sinken Unter welchen Bedingungen verbessert sich die Wirtschaftlichkeit? Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

15 Ergebnisse (III) Parametervariation: Decku ungsbeitrag [M Mio. ] 12 Kompressor Leistung [MW] Deck kungsbeitrag [M Mio. ] Turbine Leistung [MW] Referenzkonfiguration: Variation der Kompressorleistung oder der Turbinenleistung Deckungsbeitrag verhält sich nicht proportional zur Kompressor- u. Turbinenleistung Geringe Veränderung des Deckungsbeitrags bei geringfügiger Verringerung der Leistung (keine Abstimmung auf den Reservemarkt) Durch Einsparungen in der Baugröße können die Investitionen und die Wartungskosten gesenkt werden Kann dadurch die Wirtschaftlichkeit erreicht werden? Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

16 Ergebnisse (IV) Kapitalwerte der neuen Anlagenkonfigurationen: Konfiguration Turbine [MW] Kompressor [MW] Speichergröße [MWh] Referenz Variation 25/125/ Variation 15/75/ Ka apitalwert [ ] Millionen 1 Adiabat Referenz Adiabat Variation 25/125/1 5 Adiabat Variation 15/75/1 % 2% 4% 6% 8% 1% 12% Millionen Kapitalwert [ ] 2 Diabat Referenz 15 Diabat Variation 25/125/1 Diabat Variation 15/75/1 1 5 % 2% 4% 6% 8% 1% 12% Zins [%] -2 Höhere Kapitalwerte Zins [%] Kleinste Konfiguration erzielt bestes Ergebnis, da geringste Investition und geringere fixe Kosten Adiabat: hohe Investition für Wärmespeicher Keine Wirtschaftlichkeit erreicht Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

17 Gliederung 1. Einleitung 2. Ziel 3. Grundlagen 4. Methodik 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

18 Zusammenfassung und Ausblick Marktgetriebener Einsatz von adiabaten und diabaten Historische Analyse mit Deckungsbeitrag maximierendem Optimiermodell Referenzkonfiguration nicht wirtschaftlich Investition müsste um 34 % (diabat) oder um 54 % (adiabat) sinken Deckungsbeitrag verhält sich nicht proportional zur Anlagenleistung (Investition) Verkleinerung der Anlagenleistung erhöht Kapitalwert Maximal technisch realisierbare Anlagengröße nicht zwingend beste Lösung Keine Wirtschaftlichkeit Druckluftspeicher müssen auf das Einsatzgebiet abgestimmt werden Ausblick: Optimierung der technischen Auslegung unter Verwendung spezifischer Investitionen Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

19 Danke für die Aufmerksamkeit Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

20 Methodik (V) Das Optimierungsmodell: Technoökonomische Parameter* Speichergröße Min./Max. Turbine-/Kompressorleistung Investition Variablekosten Marktdaten: Spotmarktpreise Reserveleistungspreise CO 2 -Preise Brennstoffpreise Optimierungsmodell Ergebnis: Betriebsstunden maximaler Deckungsbeitrag Kapitalwert * Gatzen 28: The Economics of Power Storage - Theory and Empirical Analysis for Central Europe Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten

21 Grundlagen: Einkommensquellen Spotmarkt: Spot Preis ( /MWh ) Spotpreise für 1 Woche 2 18 Di Mi Do Fr Sa So Mo 16 Peak Off-Peak Stunde (h) Tertiärreservemarkt: Preise für angebotene Leistung (positiv und Negativ) Arbeitspreise für abgerufene Leistung 28 Preis [ /MWh] Max. 494 Min. -11 Ø 66 Preis [ ] Stunden < > 15 Ist ein marktbasierter Einsatz der Druckluftspeicher wirtschaftlich? Rupert Hartel Optimiert Einsatz von Adiabaten und Diabaten