Mikro-KWK und virtuelle Kraftwerke

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1 Mikro-KWK und virtuelle Kraftwerke Master Class Course Conference Renewable Energies HNE Eberswalde, 1. Dezember 2010 Michael Steck, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. 1

2 2 1. Was ist ein virtuelles Kraftwerk? 2. Was ist der Nutzen? 3. Wo wurde das bereits erprobt? 4. Was ist ein VKW nicht? 5. Wie funktioniert der Regelleistungsmarkt? 6. Worin besteht die Herausforderung? 7. Wie funktioniert die Einsatzoptimierung? 8. Wie groß ist der wirtschaftliche Anreiz?

3 Dezentrale Erzeugungsanlagen Brennstoff Wärmeeigenbedarf KWKG, EEG Haushalt, Gewerbe Strom Brennstoff Nahwärmenetz Industrie Strom Strom Wasserkraft 3

4 Das virtuelle Kraftwerk Verbund (Virtuelles Kraftwerk) Brennstoff Wärmeeigenbedarf KWKG, EEG Haushalt, Gewerbe Strom Brennstoff Nahwärmenetz Stromhandel (EEX) Industrie Strom Strom Systemdienstleistungen Wasserkraft (MR, SRL...) 4

5 Definition des virtuellen Kraftwerks Ein virtuelles Kraftwerk (VKW) ist eine informationstechnische Zusammenschaltung von dezentralen, selbständigen Kraftwerken (z.b. Blockheizkraftwerke) kleinerer Leistung zu einem Verbund, der durch ein geeignetes Kommunikationsnetz gesteuert wird. Die dezentralen Anlagen, die auch ohne die Verbundsteuerung betrieben werden könnten, erreichen durch die Vernetzung hinsichtlich Laständerung, Regelbarkeit, Planbarkeit und Zuverlässigkeit ähnliche Eigenschaften wie konventionelle Großkraftwerke. 5

7 Anteil Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland in % Energiekonzept: Ausbau Erneuerbarer Klimaziele laut Energiekonzept % % % % 10 0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ Historischer Verlauf : Erneuerbare Energien in Zahlen - Nationale und internationale Entwicklung. Berlin: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), 2010 Zukünftiger Verlauf: Energiekonzept - Neun Punkte für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Berlin: Bundesregierung Deutschland, 2010 Der starke Ausbau fluktuierender Einspeiser erfordert vermehrt Regelleistung KWK kann hierzu einen wichtigen Beitrag leisten.

8 Auswirkungen auf den Lastverlauf 8 Unter Berücksichtigung der zeitlichen Auflösung von Bedarf und Erzeugung ergeben sich neue Herausforderungen für die Stromversorgung!

10 Pilot- und Demonstrationsprojkete in Deutschland 1. Karlsruhe, Edison, Unna, Essen, EUVPP, Werl, KonWerl, Saarbrücken, Evonik, Clausthal, VKW Harz, Stutensee, DISPOWER, Bingen, VKW RLP, Freiburg, VIRTPLANT, Kassel, Reg. KombiKW, Sauerland, RWE/Siemens, Cuxhaven, EWE, Mannheim, MVV, Hamburg, Lichtblick, München, SWM, 2010 (geplant) 10

11 Motivation virtueller Kraftwerke Technische Machbarkeitsstudie Erproben der Anlagenund Informationstechnik Vorbereitung einer Markteinführung Integrierbarkeit fluktuierender Erzeuger Reduzierung von Emissionen Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades Erreichen von Klimaschutzzielen Netze optimierte Netzauslastung verbesserte Netzqualität Blindleistungskompensation Stromhandel Erschließung weiterer Vermarktungspfade Beitrag zu Systemdienstleistungen 11

13 Stromversorgung und Autarkie Echte Autarkie Selbstversorgung, d.h. eigene Erzeugung deckt zu jedem Zeitpunkt den eigenen Verbrauch. P Erzeugung = P Verbrauch Bilanzielle Autarkie Im Mittel über einen gewählten Zeitraum sind die Stromerzeugung und der elektrische Verbrauch identisch. E Erzeugung = E Verbrauch 13

14 Energiewirtschaftliche Bewertung der Energieautarkie (I) Gedankenspiel 1: Welche gesamte Erzeugungsleistung wäre nötig, wenn jeder Bundesbürger elektrisch echt autark wäre? Individuelle Spitzenlast 2,5 kw (Annahme) Energieverbrauch 5 kwh/d (Stat. Mittel 2009) 1x Wasserkocher 1,8 kw 1x TV 0,4 kw Licht, IKT, sonstiges 0,3 kw Summe 2,5 kw x 2,5 kw = 205 GW 82 Mio. Bundesbürger Summe der autarken Erzeugungsleistung 205 GW z.b. durch Dieselgeneratoren (nur Haushaltkunden, ohne Industrie, GHD, Verkehr) Energieverbrauch (unverändert): GWh (2009) Auslastung der autarken Erzeuger: 680 h/a Zum Vergleich Reale Netto-Höchstlast (August 2010): 62 GW (inkl. Industrie, GHD, Verkehr) 14 Echte Autarkie ist sehr teuer, riesige Kraftwerkskapazitäten wären notwendig, die Kraftwerke würden aber kaum ausgelastet werden.

15 Energiewirtschaftliche Bewertung der Energieautarkie (II) Gedankenspiel 2: Ist echte Autarkie mit erneuerbaren Energien und elektrischen Speichern sinnvoll? Individuelle Spitzenlast 2,5 kw (Annahme) Energieverbrauch 5 kwh/d (Stat. Mittel 2009) 82 Mio. Bundesbürger Nötige Speicherleistung: 205 GW Energieverbrauch (unverändert): GWh (2009) Notwendige Speicherleistung Erzeugungsleistung (100% PV) Erzeugungsleistung (100% Wind) Erzeugungsleistung (100% fossil) Verfügbare Speicherleistung: 6,7 GW Installierte Leistung Windanlagen: 26 GW Installierte Leistung Photovoltaikanlagen: 10 GW (Daten 2009) 205 GW GWh 900 h 0, GWh 2000 h 0, GWh 8000 h 0,8 = 194 GW = 88 GW = 22 GW 15 Zusätzlich zur Stromerzeugung wären elektrische Speicher notwendig. Nötiger Speicherzubau in Deutschland nicht realisierbar (technisch und finanziell).

16 Zusammenfassung Autarkie Pro Sensibilisierung der Bevölkerung Lokale Verantwortung, Senkung des Verbrauchs Ausbau der Erneuerbaren Energien Kontra Aufbau überdimensionierter Kapazitäten Niedrige Auslastung, unwirtschaftlicher Betrieb Extrem hohe Investitionskosten Solidaritätsprinzip: Überproduktion wird weitergegeben, bei Unterproduktion wird bezogen (Realisiert über den Strommarkt) Durch einen großen Netzverbund (Deutschland, Europa) lassen sich Erzeugungs-, Speicher- und Regelkapazitäten reduzieren. Autarkie z.b. auf Gemeindeebene ist energiewirtschaftlich nicht sinnvoll, hat aber positive psychologische Begleiteffekte. 16

18 Akteure des Strommarkts Haushaltskunden Kumulierte Verbrauchsprognose ÜNB (Übertragungsnetzbetreiber) Industriekunden Individuelle Verbrauchsprognose BKV meldet Fahrplan (Bezug und Lieferung des BK) Erzeugungsanlagen Fahrplan nach Einsatzoptimierung Kleinerzeuger Kumulierte Prognose BKV (Bilanzkreisverantwortlicher, BKV Stromhändler) (Bilanzkreisverantwortlicher, BKV Stromhändler) (Bilanzkreisverantwortlicher, Stromhändler) 18 EEG-Anlagen Ausgliederung in eigenen Bilanzkreis EEG- Bilanzkreis

19 Behandlung von Prognoseabweichungen BKV (Bilanzkreisverantwortlicher, Stromhändler) Vortägiger Fahrplan Abweichung ÜNB (Übertragungsnetzbetreiber) 19 BKV regelt selbst aus (Bilanzkreismanagement) Vertrag: intern, bilateral Istwert VNB (Verteilnetzbetreiber) KWK-Anlagen können einen wichtigen Beitrag zur Netzqualität leisten ÜNB saldiert und setzt ggfs. Regelleistung ein Vertrag: öffentliche Ausschreibung Präqualifikation Arbeits- und Leistungspreis

20 Vergleich der Regelleistungsarten Regelleistungsart Primärregelung Sekundärregelung Minutenreserve Regulatorien Aktivierungszeit 30 s 5 min 15 min Bereitstellung pos. und neg. Leistung/Arbeit nur gemeinsam separat Vergütung Leistungspreis Leistungs- und Arbeitspreis Lieferzeitraum 1 Monat 1 Monat 1 Tag Intervalldauer 1 Monat täglich HT 12 h, NT 25 h 4 h - Blöcke Gebotsabgabe Stichtag, Vormonat Stichtag, Vormonat Vorwerktag 10:00 Uhr Mindestangebotsgröße +/- 2 % P(Nenn) (mind. +/- 2 MW) 10 MW (Poolung mögl.) 15 MW (Poolung mögl.) Abrufraster - 1 MW 1 MW Marktbewertung (Jul Jun. 2010) Ausschreibungsvolumen ~620 MW MW MW MW MW Angebotsvolumen ~620 MW MW MW MW MW Abrufhäufigkeit - pos: ~37 % neg: ~57% pos: ~9 % neg: ~14% Abrufgrad - pos: ~6 % neg: ~15% pos: ~2 % neg: ~3% mittlere Jahreserlöse (Leistungspreis) Euro/MW pos: neg: pos: neg:

21 Sekundärregelleistung in MW Angebot und Ausschreibung der Sekundärregelleistung positiv, angeboten positiv, ausgeschrieben negativ, angeboten negativ, ausgeschrieben FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_

22 Minutenreserve in MW Angebot und Ausschreibung der Minutenreserve positiv, angeboten positiv, ausgeschrieben negativ, angeboten negativ, ausgeschrieben FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_

23 23 Charakteristik der Sekundärregelleistung

24 24 Charakteristik der Minutenreserve

25 KWK-Anlagen und Minutenreserve Jährliche Erlöse bei durchgängigem Angebot Leistungspreise 2008 Positive Minutenreserve Euro/MW Negative Minutenreserve Euro/MW Leistungspreise 2009 Positive Minutenreserve Euro/MW Negative Minutenreserve Euro/MW Leistungspreise Positive Minutenreserve Euro/MW Negative Minutenreserve Euro/MW 25

27 Elektrische Leistung Theoretisch vermarktbare Minutenreserve P max - Positive Minutenreserve (Im Abruffall: Notkühler, Speicher) P min - Unterhalb Mindestleistung für schnellstartende Anlagen nutzbar Negative Minutenreserve (Im Abruffall: Kessel, Speicher) Sunde Probleme durch eine Prognoseabweichung Gemeldeter Fahrplan weicht ab Vereinbarte Leistungsbereithaltung/Energielieferung wird verletzt 27 Lösungen Abweichungen intern ausregeln Reduzierte Regelenergievermarktung

28 Leistung Leistung Prognostizierter und realer Lastverlauf Vortagsfahrplan*) (Basierend auf der Prognose) Tatsächlicher Fahrplan*) (Ergebnis nach allen Änderungen) *) Die Ergebnisse des Vortagsfahrplans werden als ex ante und die Ergebnisse, wie sie sich in der Simulation am Ende des Tages nach allen Resttagoptimierungen ergeben, als ex post bezeichnet. 28 Direktvermarktung von KWK erfordert Prognoseerstellung Hoher Einfluss der Prognosegüte auf die Erlöse Simulation berücksichtigt Prognoseabweichungen und untersucht die resultierenden Erlöse

29 Strompreis in Euro/MWh Füllstand des therm. Speichers Thermische Last Füllstand des therm. Speichers Speicherkonzepte Speicherfüllstand Strompreis 120% 100% 100% 90% 80% 100% 90% 80% 40 80% 70% 60% 70% 60% Hoher Preis -> Verkauf -> Speicherbeladung 0% Zeit in h Marktspeicher 60% 40% 20% oder 50% 40% 30% 20% 10% 0% Füllstand Progn. th. Last Reale th. Last Zeit in h Regelspeicher 50% 40% 30% 20% 10% 0% Die Größe des Marktspeichers kann über die nutzbare Größe in der Vortagsplanung eingestellt werden, die Größe des Regelspeichers ergibt sich aus dem Freiheitsgrad zum Zeitpunkt der Prognoseabweichung. 29

30 Thermische Last Reduzierte Prognose 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Progn. th. Last reduzierte Prognose Reale th. Last Zeit in h Vorteil einer reduzierten Prognose: Überproduktionen und Fahrplanabweichungen werden reduziert. Nachteil einer reduzierten Prognose: Unterproduktionen, die durch den Kessel ausgeglichen werden müssen, treten verstärkt auf. Durch eine reduzierte Prognose lassen sich elektrische Fahrplanabweichungen reduzieren, allerdings steigt der Anteil der ungekoppelten Stromerzeugung. 30

32 Schema eines Regelleistungsabrufs 1/3 Zentrale el. Last (Prognose) KWK1 KWK2 th. Last th. Last 2 th.+ el. Erz. SLK (teuer) th.+ el. Erz. SLK (billig) ÜNB th. Speicher th. Speicher ÜNB Übertragungsnetzbetreiber SLK Spitzenlastkessel 32

33 Schema eines Regelleistungsabrufs 2/3 Zentrale neg. Reserveabruf KWK1 KWK2 th. Last th. Last 2 th.+ el. Erz. SLK (teuer) th.+ el. Erz. SLK (billig) ÜNB th. Speicher th. Speicher ÜNB Übertragungsnetzbetreiber SLK Spitzenlastkessel 33

34 Schema eines Regelleistungsabrufs 3/3 Zentrale neg. Reserveabruf KWK1 KWK2 th. Last th. Last 2 th.+ el. Erz. SLK (teuer) th.+ el. Erz. SLK (billig) ÜNB th. Speicher th. Speicher ÜNB Übertragungsnetzbetreiber SLK Spitzenlastkessel 34

36 Erlöse Vergleich der Vermarktungspfade (geförderte Anlage) Zusatzerlöse ex post (ex ante) 120% +0,2% (+3,7%) +7,0% (+10,6%) +9,3% (+13,0%) 100% 80% 60% 40% Betriebskosten KWK- Bonus Vermiedene Netznutzung Stromerlös 20% 0% -20% -40% Wärmeerlös -60% wärmegeführt DA-Vermarktung DA- / MR-Vermarktung (mittlerer Leistungspreis) DA- / MR-Vermarktung (max. Leistungspreis) 36 Durch eine optimierte Direkt- und Regelenergievermarktung ließen sich ohne Prognoseabweichungen Zusatzerlöse von bis zu 10,6 % erwirtschaften, durch Prognoseabweichungen reduzieren sich die Zusatzerlöse auf max. 7,0 %.

37 Erlöse Vergleich der Minutenreservevermarktung 110% Ex Post Erlöse Ex Ante Erlöse 100% 90% 80% 70% 60% 50% Bilanzkreisverletzung: < 4,4% Bilanzkreisverletzung: < 4,3% Bilanzkreisverletzung: < 1,9% Bilanzkreisverletzung: < 3,1% Bilanzkreisverletzung: < 1,2% Bilanzkreisverletzung: < 4,5% Konv. 0_2 LP2 Speicher AP0 Konv. 0_2 Speicher LP2 AP1 0_2 Konv. LP2 Speicher AP1 redp Progn.-Speicher 1_2 LP2 AP1 1_2 Progn.- LP2 AP1 Speicher redp Konv. 0_2 LP3 Speicher AP0 Kein MR-Abruf MR-AP 72 /MWh reduzierte Prog MR-AP72 /MWh reduzierte Prog. Max. MR LP MR-AP72 /MWh MR-AP72 /MWh Kein MR-Abruf *) Reduzierte Prognose bedeutet, dass nur 90% der prognostizierten thermischen Last in die Einsatzplanung einfließen. Wärmeüberproduktionen treten dadurch seltener auf, Unterproduktionen können mit dem Kessel ausgeglichen werden. 37 Durch eine reduzierte Prognose*) und eine Speichervorhaltung für Prognoseabweichungen lassen sich die Bilanzkreisverletzungen reduzieren.

38 Zusammenfassung Die Bundesregierung plant einen Ausbau der Erneuerbaren. KWK könnte einen Beitrag leisten, die notwendige Regelleistung bereit zu stellen, im Energiekonzept bleibt sie aber unerwähnt. Bisher wenig Erfahrung bei der Regelleistungsbereitstellung mit KWK, insbesondere mit Mikro-KWK. Pilotprojekte sind auf dem Weg, z.b. EWE, SWM. Vermarktungserlöse können durch Stromhandel und Reservevermarktung gesteigert werden. Prognose, Planung und Betrieb der KWK wegen Koppelproduktion nicht trivial. 38

39 39 1. Was ist ein virtuelles Kraftwerk? 2. Was ist der Nutzen? 3. Wo wurde das bereits erprobt? 4. Was ist ein VKW nicht? 5. Wie funktioniert der Regelleistungsmarkt? 6. Worin besteht die Herausforderung? 7. Wie funktioniert die Einsatzoptimierung? 8. Wie groß ist der wirtschaftliche Anreiz? 9. Was ist überhaupt die FfE?

40 Das Profil Die Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) mit Sitz in München wurde 1949 gegründet. Der gemeinnützige Verein hat Mitglieder aus allen energiewirtschaftlichen Bereichen der Industrie, Wissenschaft und Verwaltung sowie Einzelmitglieder. Die FfE befasst sich seit über 60 Jahren mit den aktuellen Fragestellungen der Energietechnik und Energiewirtschaft. Sie wurde mit dem Ziel geschaffen, sich als neutrale, über dem Wettbewerb der einzelnen Energieträger stehende Institution auf wissenschaftlicher Grundlage mit energietechnischen und energiewirtschaftlichen Fragen zu befassen und Forschung überwiegend auf dem Gebiet der Energieanwendung zu betreiben. Aktuell arbeiten an der FfE 18 Wissenschaftliche Mitarbeiter und 20 studentische Hilfskräfte. 40

41 Tätigkeitsschwerpunkte der FfE 41

42 Eneff:Stadt Auslegung und intelligentes Management optimierter Energieversorgungsstrukturen auf Quartiersebene 42 Die Aktivitäten der FfE auf dem Gebiet Verbund dezentraler Anlagen werden von SWM und EWE finanziert und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! P.S.: Lust auf ein Praktikum, eine Diplom-, Masterarbeit an der FfE in München? Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Michael Steck +49 (89) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München

44 Wälzung des KWK-Stroms Stromfluss Strompreis Netzentgelt KWK-Zuschlag ÜNB (Übertragungsnetzbetreiber) Stromerzeuger VNB (Verteilnetzbetreiber) BKV (Bilanzkreisverantwortlicher, Stromhändler) 44 KWK-Anlage KWK-Umlage für 2010: 0,13 ct/kwh (Prognose) bzw. 0,05 oder 0,025 ct/kwh für stromintensiv Betriebe Letztverbraucher

45 Erlöse Speicherbewirtschaftung 110% Ex Post Erlöse Ex Ante Erlöse 100% 90% 80% 70% 60% 50% unbegrenzte d10050b Speichernutzung Speichernutzung: d20b Speichernutzung: d21b Speichernutzung: d22b für Folgetagopti- 2 MWh für Folgetagopti- 1 MWh für Folgetagopti- 2 MWh für Prognose- mierung und Prognoseabweichung mierung mierung, 1 MWh für Proabweichung BK-Abweichung: 4,5% gnoseabweichung BK-Abweichung: 0,5% BK-Abweichung: 0,0% BK-Abweichung: 3,1% 45 Zielkonflikt: Speichernutzung für Prognoseabweichungen oder für Folgetagoptimierung nutzen?

46 Der KWK-Prozess in einem Energieflussbild 46

47 Energiesystem der Strom- und Wärmebereitstellung in Deutschland 2003 Ergebnisse aus dem Projekt EduaR&D 47

48 Energiesystem der Strom- und Wärmebereitstellung in Deutschland 2050 (KWK-Szenario) 48