Optimale Investitionsentscheidungen in dezentralen Energiesystemen für BHKW, Batteriespeicher und Lastmanagement Modellkonzept und Anwendung

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1 Optimale Investitionsentscheidungen in dezentralen Energiesystemen für BHKW, Batteriespeicher und Lastmanagement Modellkonzept und Anwendung ENERGY ECOSYSTEMS Leipzig, 23. September 2013 Hendrik Kondziella, Thomas Bruckner Vattenfall Europe Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - IIRM Universität Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 1

2 Agenda Motivation Methodik Modellparameter Ergebnisse Fallstudie Bürogebäude Fazit Diskussion Prof. Dr. Thomas Bruckner 2

3 Motivation Energiebedarf im Gebäudesektor (weltweit) bis Mtoe = 42 PJ Energieverbrauch im Gebäudesektor steigt um 5 % im BLUE-Map Szenario bis 2050, aber geringere CO2-Emissionen (-83 %) + 60 % + 5 % IEA (2011), Energy-efficient buildings heating and cooling equipment. BLUE-Map-Szenario: Klimaschutz, globale CO2-Reduktion um 50 % von Baseline-Szenario: business-as-usual, Anstieg CO2-Emissionen von 8 Gt auf 15 Gt Handlungsoptionen umfassen Energieeinsparung, Energieeffizienz und CO2-arme/freie Technologien für Wärme, Kälte und Strom Prof. Dr. Thomas Bruckner 3

4 Methodik Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Ziel der Programmierung: Detaillierte ökonomische Analyse bei geringer Komplexität der thermodynamischen Gebäudebeschreibung Angebotsseite Elektrizitätsnetz Eigenerzeugung von Elektrizität und Wärme Mikroturbinen, BHKW Gasnetz Speicherebene Stromspeicher nur Modelltyp v2.0 Wärmespeicher Nachfrageseite/ Lastmanagement (Modelltyp v3.0) Strom Kühlung Warmwasser Raumwärme Strombedarf: Eigenerzeugung durch KWK-Anlagen oder Netzbezug Wärme: Eigenerzeugung aus KWK-Prozess oder Netzbezug (Gas) Kühlung: Eigenerzeugung (Strom oder Wärme) oder Netzbezug (Strom oder Gas) Flexibilität durch Wärmespeicher, Stromspeicher (optional) und Lastmanagement (optional) Prof. Dr. Thomas Bruckner 4

5 Methodik Szenario 1 (nur BHKW) Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Ziel der Programmierung: Detaillierte ökonomische Analyse bei geringer Komplexität der thermodynamischen Gebäudebeschreibung Angebotsseite Elektrizitätsnetz Eigenerzeugung von Elektrizität und Wärme Mikroturbinen, BHKW Gasnetz Speicherebene Stromspeicher nur Modelltyp v2.0 Wärmespeicher Nachfrageseite/ Lastmanagement (Modelltyp v3.0) Strom Kühlung Warmwasser Raumwärme Strombedarf: Eigenerzeugung durch KWK-Anlagen oder Netzbezug Wärme: Eigenerzeugung aus KWK-Prozess oder Netzbezug (Gas) Kühlung: Eigenerzeugung (Strom oder Wärme) oder Netzbezug (Strom oder Gas) Flexibilität durch Wärmespeicher, Stromspeicher (optional) und Lastmanagement (optional) Prof. Dr. Thomas Bruckner 5

6 Methodik Szenario 2 (BHKW+Speicher) Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Ziel der Programmierung: Detaillierte ökonomische Analyse bei geringer Komplexität der thermodynamischen Gebäudebeschreibung Angebotsseite Elektrizitätsnetz Eigenerzeugung von Elektrizität und Wärme Mikroturbinen, BHKW Gasnetz Speicherebene Stromspeicher nur Modelltyp v2.0 Wärmespeicher Nachfrageseite/ Lastmanagement (Modelltyp v3.0) Strom Kühlung Warmwasser Raumwärme Strombedarf: Eigenerzeugung durch KWK-Anlagen oder Netzbezug Wärme: Eigenerzeugung aus KWK-Prozess oder Netzbezug (Gas) Kühlung: Eigenerzeugung (Strom oder Wärme) oder Netzbezug (Strom oder Gas) Flexibilität durch Wärmespeicher, Stromspeicher (optional) und Lastmanagement (optional) Prof. Dr. Thomas Bruckner 6

7 Methodik Szenario 3 (BHKW+Lastmanagement) Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Ziel der Programmierung: Detaillierte ökonomische Analyse bei geringer Komplexität der thermodynamischen Gebäudebeschreibung Angebotsseite Elektrizitätsnetz Eigenerzeugung von Elektrizität und Wärme Mikroturbinen, BHKW Gasnetz Speicherebene Stromspeicher nur Modelltyp v2.0 Wärmespeicher Nachfrageseite/ Lastmanagement (Modelltyp v3.0) Strom Kühlung Warmwasser Raumwärme Strombedarf: Eigenerzeugung durch KWK-Anlagen oder Netzbezug Wärme: Eigenerzeugung aus KWK-Prozess oder Netzbezug (Gas) Kühlung: Eigenerzeugung (Strom oder Wärme) oder Netzbezug (Strom oder Gas) Flexibilität durch Wärmespeicher, Stromspeicher (optional) und Lastmanagement (optional) Prof. Dr. Thomas Bruckner 7

8 Methodik Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Modelltyp: Gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung Auswahlentscheidung (0 oder 1) bei Investition in Eigenerzeugung Zielfunktion: Minimiere die Gesamtkosten der Energiebereitstellung! Investition (bei Eigenerzeugung), Betrieb sowie Netzbezug (Leistungs- und Arbeitspreise) Unter Beachtung der wesentlichen Beschränkungen: a) Deckung des (stündlichen) Energiebedarfs nach Strom, Wärme, Kühlung b) Beschränkte Kapazität der KWK-Anlage, Wärmespeicher, Kältemaschine, Batterie, Lastmanagement c) Verwendung der Abwärme für Bedarf oder Wärmespeicher d) Bilanzgleichungen für Wärmespeicher, Batterie Prof. Dr. Thomas Bruckner 8

9 Modellparameter - Bürogebäude Modellbasierte Analyse eines dezentralen Energiesystems Angebotsseite (Technologien) Datenbank mit KWK- Anlagen Elektrische Leistung Technische Lebensdauer Kapitalkosten Erhaltungsaufwand Wirkungsgrad Stromkennzahl Datenbank mit Batteriespeichern Leistung Kapazität Kosten Wirkungsgrad Zyklen Entladetiefe Nachfrageseite (Energiebedarf) Strombedarf: MWh davon Kühlung 156 MWh davon Rechenzentrum 396 MWh im Bereich von kw Wärmebedarf: 429 MWh im Bereich von kw Stündliche Auflösung der Nachfrage Stromtarif Leistungspreis Grundlast, Mittellast,Spitzenlast Arbeitspreis Grundlast, Mittellast,Spitzenlast Gaspreis Marktdaten (Preise) Optional: CO2-Preis Spezifische Emissionsfaktoren für Eigenerzeugung und Netzbezug Prof. Dr. Thomas Bruckner 9

10 Modellergebnisse - Bürogebäude Investitionsentscheidung für BHKW (238 kwel/364 kwth) Deckung der Stromnachfrage 65 % des Strombedarfs durch BHKW-Strom (grüne Fläche) 35 % Strombezug vom Netz (blau) Einsatz des BHKW orientiert sich am Strompreis (rote Linie) Kühlbedarf wird elektrisch bereitgestellt Strompreis [ per kwh] 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Typwoche [h] Strombedarf [kw] 250 Deckung der Wärmenachfrage 99 % des Wärmebedarfs durch Abwärme (grüne Fläche) oder Wärmespeicher (orange) Kleine Wärmemengen durch Spitzenlastkessel (rot) Ungenutzte Abwärme in den Nachmittagsstunden (blaue Linie) Wärmebedarf [kw] Typwoche [h] Prof. Dr. Thomas Bruckner 10

11 Modellergebnisse - Bürogebäude Investitionsentscheidung für BHKW (238 kwel/364 kwth) Einsparung von Kosten und CO2-Emissionen durch Eigenerzeugung von Strom, Wärme und Kühlung CO2-Emissionen [t] Ökologische Bewertung 727 t - 18 % 596 t Referenzfall Szenario 1 (BHKW) BHKW-Strom Gas Netzstrom Energiekosten [ ] Ökonomische Bewertung 185 T Referenzfall - 18 % 153 T Szenario 1 (BHKW) var. Kosten (BHKW) Arbeitspreise-Netz Leistungspreise Kapitalkosten Spezifische Emissionen [t CO2/MWh] Netzstrom 0,60 Gas 0,25 BHKW-Strom 0,56 Referenzfall: nur Netzkosten Leistungs- und Arbeitspreise für Strom und Gas Szenario 1: Kosten für Eigenerzeugung (BHKW) und Netzbezug Leistungs-, Arbeitspreise, Kapitalkosten Prof. Dr. Thomas Bruckner 11

12 Modellergebnisse - Bürogebäude Investitionsentscheidung für BHKW + Batterie Kein Kostenvorteil durch zusätzlichen Batteriespeicher aufgrund hoher Flexibilität des BHKW Sensitivitätsanalyse: Batteriespeicher ohne BHKW Installation von zwei Bleibatterien 10 kw/20 kwh 100 kw/ 100 kwh Die Stromnachfrage (rote Linie) wird durch Batteriespeicher beeinflusst. Einsatzprofil der Batterie orientiert sich am Stromtarif (grün) Laden und Entladen führt zu verändertem Profil der Stromnachfrage (graue Fläche) Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern bedingt durch variable Stromtarife und geringere Leistungspreise. Strombedarf [kw] Sensitivität Einsatz des Batteriespeichers ohne BHKW Typwoche [h] 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Strompreis [ /kwh] Prof. Dr. Thomas Bruckner 12

13 Modellergebnisse - Bürogebäude Investitionsentscheidung für BHKW + Lastmanagement Einsparungen durch erhöhten Bedarf an Netzstrom zu günstigen Tarifen. Höhere CO2-Emissionen (+ 2%) verglichen mit Szenario 1 (BHKW). Strombedarf [kw] Szenarien für Lastmanagement +/- 5h Flexibilität des Strombedarfs Verschiebung des (stündlichen) Stromverbrauchs um max. 5 h Verschiebung des Stromverbrauchs für Kühlung um max. 5 h [h] Strombedarf Residuallast 5% Residuallast 10% Energiekosten [EUR] Ökonomische Bewertung ohne Kosten für Lastmanagement Szenario 1 (BHKW) - 3% Kapitalkosten Leistungspreise Arbeitspreise-Netz var. Kosten (BHKW) DEM 5% DEM 10% DEM Kühlung Eigenerzeugung durch BHKW wird reduziert Verlagerung des Strombedarfs in Zeiten mit günstigen Arbeitspreisen Leichter Anstieg der Leistungspreise Prof. Dr. Thomas Bruckner 13

14 Fazit Stand der Modellierung Planung von Investitionsentscheidungen in dezentralen Energiesystemen durch (gemischt-ganzzahlige) lineare Programmierung Ganzheitliche Abbildung der Energieströme (Strom, Wärme, Kälte) in hoher zeitlicher Auflösung Beschränkte Netzkapazitäten durch Einführung von Leistungspreisen Flexible Anpassung der Modellparameter Ergebnisse Fallstudie Bürogebäude Senkung der Energiekosten und CO2- Emissionen durch dezentrale Energieerzeugung (BHKW) Vergleichsmaßstab: dreistufiger Stromtarif Brennstoffmix des Netzstroms Weitere Kostensenkung durch Lastmanagement möglich. Weitere Schritte Verfeinerung der BHKW- Modellierung Mindestlast lastabhängige Wirkungsgrade Erweiterung der dezentralen Technologien PV Solarthermie Wärmepumpe Prof. Dr. Thomas Bruckner 14

15 Vielen Dank! Prof. Dr. Thomas Bruckner 15

16 Kontakt Hendrik Kondziella Prof. Dr. Thomas Bruckner Vattenfall Europe Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Universität Leipzig Grimmaische Str. 12 D Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 16

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