Batteriespeicher, P2H und virtuelle Kraftwerke: Ökonomische Bewertung neuer Geschäftsmodelle im Kontext der Energiewende

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1 Batteriespeicher, P2H und virtuelle Kraftwerke: Ökonomische Bewertung neuer Geschäftsmodelle im Kontext der Energiewende , Energiecluster trifft Wissenschaft, Universität Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement IIRM, Universität Leipzig Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie, Fraunhofer MOEZ Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 1

2 Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM) Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Universität Leipzig

3 Institutsstruktur Vattenfall Europe Professur Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institutionenökonomische Umweltforschung Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft - eine Stiftung der Verbundnetz Gas AG (VNG) und der Stadtwerke Leipzig Umwelttechnik i.d. Wasserwirtschaft, Umweltmanagement Siedlungswasserwirtschaft Bioenergiesysteme Integriertes Flächenrecycling Prof. Dr. Thomas Bruckner 3

4 1. Kompetenzzentrum Öffentliche Wirtschaft und Daseinsvorsorge 1.2 Struktur des Kompetenzzentrums Symposium "Öffentliche Wirtschaft" 4 Prof. Dr. Thomas Bruckner 4

5 Forschungsprofillinie und uniinterne Kooperation Prof. Dr. Thomas Bruckner 5

6 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 6

7 Forschungsfelder der Vattenfall Europe Professur Techno-ökonomische Optimierung dezentraler Energiesysteme: Modellierung von stationären und mobilen Batteriespeichern (EnBW, Bosch GmbH, Schaufenster Elektromobilität, BMVBS) sowie virtuellen Kraftwerken (EU). Akteurs-orientierte Modellierung kommunaler Energiesysteme: Energieeffiziente Stadt Delitzsch (BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt, Fördervolumen 2,4 Mio ). Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 7

8 Forschungsfelder der Vattenfall Europe Professur Analyse liberalisierter Energiemärkte unter Klimaschutzrestriktionen: Energiewirtschaftliche Analysen basierend auf der Modellierung von Spotmarkt- und Regelenergiepreisen (BMU, BMWi, 50 Hertz, GASAG, Bosch, ) Mitarbeit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Leitautor des IPCC SRREN und koordinierender Leitautor für das Kapitel Energy Systems des IPCC AR5 (gefördert vom BMBF) Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 8

9 Auftraggeber Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 9

10 Eckpunkte des Energiekonzepts KWK Gas, Fern- und Nahwärme Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte kwh Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte Endenergie Quelle: Weiss, BMU, 2011 Prof. Dr. Thomas Bruckner 10

11 Thesen Neue Geschäftsmodelle: Nutzung der erneuerbaren Energien Maßnahmen zum Ausgleich der damit verbundenen Variabilität (räumlich und zeitlich Flexibilitätsoptionen) Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Energiewirtschaftliche und klimapolitische Rahmenbedingungen verändern sich grundlegend: Identifikation von Geschäftsmodellen (technische Potentiale) Bewertung innovativer Geschäftsmodelle (fundamentale Abschätzung zukünftiger Spotmarkt und Regelenergiepreise) Prof. Dr. Thomas Bruckner 11

12 Installierte Leistung [GW] Situation in den neuen Bundesländern Erneuerbare Energien in der 50Hertz Regelzone Lastdauerlinien 50Hertz EE-Anteil an der Nachfrage % 48% 11,3 0,3 1,3 1,2 0, Max. Nettolast 72% 0, Wind PV Biomasse Andere Quelle: 50Hertz Quelle: Eigene Berechungen Prof. Dr. Thomas Bruckner 12

13 Power-to-Heat (P2H) Weiterer Anstieg der Erzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien bei gleichzeitig geringen Lasten erfordert flexible Speichermöglichkeit, z.b. in Form von Wärme (Power-to-Heat). Übertragungsnetz der 50Hertz Transmission GmbH Quelle: 50Hertz 50Hertz Ausblick bis 2020 Verdopplung der Leistung der Onshore-Anlagen im Vgl. zu 2010 Windkraft die dominierende Energiequelle (64 % an der installierten EE-Leistung) Jährliches Wachstum bei PV von 25 % Bilanzieller EE-Anteil an Stromnachfrage 72 % Unter geeigneten Bedingungen kann die gesamte Nachfrage in der Regelzone durch Windenergie- und PV-Anlagen gedeckt werden. Netzausbau als Flaschenhals Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 13

14 Min (Res.Last; Wärmebed.) [GWel] Technisches Potenzial von P2H-Anlagen auf der Nachfrageseite 2014 Negative Residuallasten können den Wärmebedarf übersteigen und umgekehrt. Technisches Potenzial in jeder Stunde des Jahres: Minimum aus Stromüberschuss und Fernwärmebedarf ,5 TWh 5,9 TWh Stunden bei neg. Residuallast Quelle: eigene Berechnungen, IIRM, Universität Leipzig, 2012 Prof. Dr. Thomas Bruckner 14

15 Strommarktmodell MICOES Europe Modellannahmen Stromnachfrage (8760 h) für jedes Land Installierte Kraftwerkskapazität (blockscharf) - Technische Parameter - Wirtschaftl. Parameter - Brennstoff- und CO 2 -Preise Kostenminimierung Gemischt-ganzzahlige Optimierung Modellierung in GAMS Spotmarkt Ergebnisse Spotmarktpreise Je Kraftwerk: - Stündliches Betriebsprofil - CO 2 -Emissio nen - Deckungsbeiträge Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugung Regelenergiebedarf für jedes Land Regelenergiemarkt Leistungspreise Reservevorhaltung je Kraftwerk MICOES = Mixed Integer Cost Optimization of Energy Systems Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 15

16 MICOES Europe: Quelle: Böttger et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 16

17 Strommarktmodellierung (mit GAMS) Schematischer Modellaufbau Brennstoff- und CO 2 - Preise Technische Parameter Kraftwerkspark Lastdaten (stündlich) INPUT Maximal/Minimalkapazität Ramp-Rates Stillstandzeiten Anfahrkosten Variable Kosten GAMS-Solver Gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem: Kostenminimierung! (Schattenpreise) OUTPUT Spotmarktpreise Strommengen Import/Export (stündlich) M. Theofilidi, Institut für Energietechnik, TU Berlin / T. Bruckner, Universität Leipzig Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 17

18 Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Quelle: Böttger et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 18

19 Marktchancen für Speicheranwendungen Residuallast und Variation der Speichergröße Quelle: Kondziella et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 19

20 ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 20

21 ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 21

22 Mehrerlöse für das VK pro Szenario und Stützjahr Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 22

23 Energiewirtschaftliche Analyse von P2H-Anlagen im Regelenergiemarkt Leistungspreiserlöse für negative Sekundärregelleistung [ /kw a] ? Min LP Durchschn. LP Max. LP Potenzial von Power-to-Heat in deutschen Fernwärmesystemen und Bewertung der Profitabilität durch Vorhaltung negativer Regelleistung unter Berücksichtigung der Unsicherheit des künftigen Marktdesigns. Quelle: Böttger et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 23

24 Quelle: EEX, regelleistung.net Durchschnittliche Preise am Regelenergiemarkt 2012 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 24

25 Methodik: Opportunitätskostenansatz Quelle: Böttger et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 25

26 [Euro/MWh] [Euro/MW und h] Zusammenhang zwischen Spotpreisentwicklung und PRL-Leistungspreis Fundamentale LP weisen in 2013 und 2014 besonders hohe Werte auf, wenn deutlich negative Preise am Spotmarkt auftreten (hohe Opportunitätskosten für Kraftwerke, die dann trotzdem am Netz bleiben) Weihnachten 2012 Weihnachten 2013 Weihnachten Wochen in den Jahren Minimum von Spotpreis Mittelwert von Spotpreis Maximum von Spotpreis Historischer mittlerer LP Mittlerer LP vom Modell Quelle: Böttger et al Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 26

27 Zusätzliche negative Regelleistung in GW Zusätzliche positive Regelleistung in GW Zusatzerlöse im Regelleistungsmarkt Zunahme der Windkapazitäten in GW Zunahme der Windkapazitäten in GW Quelle: Inka Ziegenhagen, Masterarbeit, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig, Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 27

28 GESCHÄFTSFELD NACHHALTIGKEITSMANAGEMENT UND INFRASTRUKTURÖKONOMIE MARKTBEREICH I: Energiemanagement und Energiewirtschaft - Techno-ökonomische Optimierung komplexer Energiesysteme - Energiewirtschaftliche Modellierung und Analyse - Quantitative Politikfolgenabschätzung MARKTBEREICH II: Stakeholder-Dialog und gesellschaftliche Akzeptanz - Gesellschaftliche Akzeptanzforschung - Integrierte Bewertung von Infrastrukturprojekten Fraunhofer MOEZ

29 ENERGIEMANAGEMENT UND ENERGIEWIRTSCHAFT PROF. DR. THOMAS BRUCKNER HENDRIK KONDZIELLA Big Data und Energiedatenmanagement: Begleitung von Unternehmen der Energiewirtschaft in Transformationsprozessen und Beitrag zur Produktoptimierung durch Datenanalyse und Datenaufbereitung. Strom (Fern-)Wärme Erdgas Preise Datenanalyse Datenaufbereitung Produktoptimierung Smart Meter Daten Industrie /Gewerbe Haushalte Erzeugungsportfolio Erneuerbare Energien Fossile Kraftwerke Clustering Visualisierung Ersatzwerte Kundenbewertung Standard- Lastprofile Zeitreihen für Planungstools Markt- und Umweltdaten Rohstoffe, CO2 etc. Prognosen Projektionen Fraunhofer MOEZ

30 Kontakt Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Direktor, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Universität Leipzig Grimmaische Str. 12 D Leipzig Tel.: 0341/ Leiter, Abteilung für Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie Fraunhofer-Zentrum für Mittel- und Osteuropa (Fraunhofer MOEZ) Neumarkt Leipzig Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 30

31 Mitarbeit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, Weltklimarat) Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 31