Energiewirtschaftliche Optimierung von elektrisch beheizbaren Wärmeerzeugern im Verbund

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1 Energiewirtschaftliche Optimierung von elektrisch beheizbaren Wärmeerzeugern im Verbund Prof. Dr. R. Simon Haan, Oktober Prof. Dr. Ralf Simon simon@tsb-energie.de Hochschullehrer der Fachhochschule Bingen Wissenschaftlicher Leiter der Transferstelle für rationelle u. regenerative Energienutzung S i P E Simon Process Engineering GmbH Gesellschafter der Simon Process Engineering GmbH Gesellschafter der SP Energycontrol GmbH Gesellschafter der Simon Management Systems GmbH 2 Energiebeirat des Landes Rheinland Pfalz zur Beratung der Landesregierung in energiepolitischen Fragen 1

2 Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Heute bereits vorhandene Märkte für ein Smart Grid / virtuelles Kraftwerk Untersuchung der Potentiale für Wärmepumpen Fazit 3 Regionale Ziele in RLP: Beispiel Rheinhessen EWR Netz GmbH: Netzlast und EE-Einspeisung in [kw] Windkraftleistung überschreitet Netzhöchstlast in Quartal 2.Quartal 3.Quartal 4.Quartal 4 Quelle: Krämer, EWR: Dez

3 Regionale Ziele in RLP: Beispiel Rheinhessen EWR Netz GmbH: Netzlast und EE-Einspeisung in [kw] Quartal 2.Quartal 3.Quartal 4.Quartal 5 Quelle: Krämer, EWR: Dez Verteilung des Energiebedarfs in Deutschland in 2010 Wege der Energiewende: Reduktion des Energiebedarfs, v.a. im Wärmebereich Ausbau der erneuerbaren Stromerzeuger 3

4 Verteilung des Energiebedarfs in Deutschland in 2050 Konsequenzen: Unterschiedlich lange Phasen von Stromüberschuss und mangel Bedarf an Netzausbau im Bereich Übertragungs- und Verteilnetz Integration von Stromspeichern bzw. Lastverschiebungsmöglichkeiten unterschiedlicher Art Aufbau eines zusätzlichen Netzes zur Kommunikation = Smart Grid Datenquelle: Schmid J., IWES Kassel Jun Überregionale Lieferung von Regelenergie durch virtuelle Kraftwerke Virtuelles Kraftwerk made in Rheinland-Pfalz Heute: Betrieb und Weiterentwicklung von diversen virtuellen Kraftwerken in Deutschland Systembereitsteller gefördert vom Ministerium für Umwelt, Forsten u. Verbraucherschutz (MUFV), Rheinland-Pfalz Stand Aug. 2012: >70 MW präq. Leistung mit >100 präq. Anlagen 4

5 Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Heute bereits vorhandene Märkte für ein Smart Grid / virtuelles Kraftwerk Untersuchung der Potentiale für Wärmepumpen Fazit 9 Märkte für flexible Erzeuger und Verbraucher im virtuellen Kraftwerk im Bereich der Regelenergie (ÜNB) Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserve im Bereich des Stromhandels Marktorientierte Fahrweise von Anlagen bzw. Anpassung des industriellen Strombedarfs an Strommärkte (Demand Side Management) Direktvermarktung EEG Anlage (Regelenergie, Flexprämie, Optimierung des Marktprämiemodells) im Bereich der Ausgleichsenergie (Bilanzkreis) Bilanzkreismanagement Reservestrommärkte im Bereich der Netzentgelde EnWG 14a (vielleicht zukünftig) 10 5

6 Möglichkeiten der Regelenergiebereitstellung Positive Regelenergie Negative Regelenergie Verbrauch > Erzeugung Verbrauch < Erzeugung = Unterspeisung = Überspeisung (Netzfrequenz fällt unter 50 Hz) (Netzfrequenz steigt über 50 Hz) Stromerzeuger (z.b. Kraftwerke, Notstrom-Diesel, etc.) Stromerzeuger (z.b. Kraftwerke, BHKW-Anlage, etc.) Leistung erhöhen oder EIN Stromverbraucher (z.b. Elektrolysen, Schmelzöfen, etc.) Leistung absenken oder AUS Stromverbraucher (z.b. Mühlen, Pumpen, Verdichter, etc.) Last absenken oder AUS Last erhöhen oder EIN Quelle: Evonik New Energies Seite 11 Bedarf an Minutenreserve in Deutschland 12 6

7 Positive Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2011 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von /MW a gezahlt Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 364 /MWh gezahlt Positive Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2012 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von /MW a gezahlt Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 247 /MWh gezahlt Zeitraum: bis

8 Negative Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2011 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von /MW a gezahlt 1 Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw. nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 75 /MWh gezahlt 15 Negative Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2012 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von /MW a gezahlt Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw. nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 187 /MWh gezahlt Zeitraum: bis

9 Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Heute bereits vorhandene Märkte für ein Smart Grid / virtuelles Kraftwerk Untersuchung der Potentiale für Wärmepumpen Fazit 17 Grundlagen der Wirtschaflichkeitsberechnung Einnahmenseite: Leistungspreis für die Vorhaltung Arbeitspreis im Falle des Abrufs vermiedene Stromkosten Ausgabenseite: Investition in Kommunikations- u. Präqualifikation keine laufenden Kosten 18 9

10 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Betrachtetes Gebäude: Mehrfamilienhaus mit 800m² Bewohner: 10 Personen spez. Heizwärmebedarf: 180 kwh/m²a spez. WW-Bedarf: kwh/we. a d.h kwh/a Jahreswärmebedarf Berechnung des Heizenergiebedarfs nach VDI mit dem DWD Wetter der Stadt Düsseldorf für VDI 4655: Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK - Anlagen 19 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Heiz- bzw. Warmwasserbedarf für das ausgewählte Gebäude in 2010 Wetterdaten des DWD für Düsseldorf in

11 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Heiz- plus Warmwasserbedarf für das ausgewählte Gebäude in 2010 in der georndeten Darstellung 21 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Daten der Wärmepumpe Wärmeleistung: 3 mal 19,23 kw COP 3,29 Speicher l Heizstab 20 kw Strompreis 0,1347 /kwh (ohne MwSt.) Ansatz Aufteilung Leistungspreis 70% / 30% zwischen Contractor und Händler 22 11

12 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Simulationsergebnisse Strategie: besondere Marktstrategie des Händlers d.h. Arbeitspreis so wählen, dass ein Aufruf sicher d.h. Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung Betriebsstunden WP: 2522 Betriebsstunden Heizstab: 722 Betriebsstunden MRAufruf: Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Simulationsergebnisse Strategie: besondere Marktstrategie des Händlers d.h. Arbeitspreis so wählen, dass ein Aufruf sicher d.h. Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung 24 Betriebskosten in /a Kosten Strombezug Einnahmen virtuelles Kraftwerk Betriebskosten Aufschlüsselung der Einnahmen Einnahmen MR Leistungspreis -546 eingesparte Stromkosten MR Arbeitspreis 0 Gesamt

13 Wärmepumpe in der Wohnungswirtschaft Mehrfamilienhaus Simulationsergebnisse Strategie: besondere Marktstrategie des Händlers d.h. Arbeitspreis so wählen, dass ein Aufruf sicher d.h. Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung 25 Einfluss der Speichergröße Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Betrachtetes Gebäude: Nordrheinische Ärzteversorgung gemessener Wärmebedarf 26 13

14 Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. 27 Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw

15 Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Daten der Wärmepumpe Wärmeleistung: 350 kw COP 3,0 Speicher l Heizstab 0 kw Strompreis 0,1347 /kwh (ohne MwSt.) Ansatz Aufteilung Leistungspreis 70% / 30% zwischen Contractor und Händler 29 Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Simulationsergebnisse Strategie: besondere Marktstrategie des Händlers d.h. Arbeitspreis so wählen, dass ein Aufruf sicher d.h. Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung Betriebsstunden WP: 2240 Betriebsstunden Heizstab: 644 Betriebsstunden MRAufruf:

16 Wärmepumpe in der Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Simulationsergebnisse Strategie: besondere Marktstrategie des Händlers d.h. Arbeitspreis so wählen, dass ein Aufruf sicher d.h. Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung 31 Betriebskosten in /a Kosten Strombezug Einnahmen virtuelles Kraftwerk Betriebskosten Aufschlüsselung der Einnahmen Einnahmen MR Leistungspreis eingesparte Stromkosten MR Arbeitspreis 0 Gesamt Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Heute bereits vorhandene Märkte für ein Smart Grid / virtuelles Kraftwerk Untersuchung der Potentiale für Wärmepumpen Fazit 32 16

17 Stromspeicher virtueller Stromspeicher Schmid J.: Benötigte Speicherleistung in 2050 im Bereich 50 GW Leistung 1 Klobasa M.: Potential im Sektor Industrie 33 Potential im Sektor Gewerbe/Handel 2,8 GW 10,3 GW Potential im Sektor Haushalt 20,6 GW 2 Diverse Probleme zur Erschließung der Potentiale in der Industrie, im Gewerbe bzw. im Haushalt Zur Einordnung: Potential in der Industrie entspricht dem kompletten Bedarf - Angst an vor Regelenergie Komforteinbußen im Bereich der Minutenreserve - Angst vor geringeren Produktionsmengen - - Investition in Kommunikationstechniken 1 Schmid J.: Dezentrale Energieversorgung - Kommunikationskosten und Speichertechnologien, Beirat WIE Okt Klobasa M.: Dynamische Simulation eines Lastmanagements Dissertation ETH Zürich, 2007 EC24 zur dezentralen Wertschöpfung im Smart Grid ÜNB EC 24MRL TE TE TE Globale Optimierung z. B. im Bereich Systemdienstleistungen für TSO EC 24DSO TE TE Lokale Optimierung z. B. im Bilanzkreismanagement für DSO TE = Technische Einheit, z. B. BHKW, Gasturbinen, Netzersatzanlagen, Wärmepumpe, Verbraucher, usw

18 EC24 DSO zur dezentralen Wertschöpfung Weiterentwicklung des Ausgleichsenergiepreissystems: diverse Vorschläge aus Eckpunktepapier BK der NetzA, , die teilweise zum umgesetzt werden sollen: z. B. wenn mehr als 80% der kontrahierten Regelleistung abgerufen wird, Zuschlag von 50% auf den rebap mindestens jedoch 100 /MWh Ziel: Abwendung von Spekulationen gegen den Ausgleichenergiepreis durch Erhöhung der Kosten und Erhöhung des Risikos rebap = regelzonenübergreifender Bilanzausgleichspreis 35 Zusammenfassung im zukünftigen Energiemix wächst die Bedeutung für das Thema Stromspeicherung und für flexible Stromerzeuger bzw. -verbraucher Zunahme des Bedarfs an Regelenergie Volkswirtschaftlich ist es nicht sinnvoll, die kostenarme Produktion von überschüssigem Windstrom zu reduzieren Aufbau von elektrischen Stromspeichern bzw. Möglichkeiten der Lastverschiebung notwendig. Erst die Integration in ein virtuelles Kraftwerk bewirkt einen Beitrag zur Netzstabilität Das Bilanzkreismanagement wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt Prof. Dr. Ralf Simon Seite 37 Transferstelle für rationelle und regenerative Energienutzung Bingen Alternative Energiekonzepte, Methodenentwicklung zur rationellen Energienutzung, Entwicklung von regenerativen Energiesystemen, usw. S i P E Simon Process Engineering GmbH Simon Process Engineering GmbH Softwareentwicklung, Ingenieurdienstleistungen, Unterstützung bei der Betriebsführung, usw SP Energycontrol GmbH Energiewirtschaftliche Optimierung, Betrieb von virtuellen Kraftwerken Simon Management Systems GmbH Ganzheitliches Energiemanagementsystem