Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz der deutschen Pumpspeicherkraftwerke

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1 Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz Christoph Fraunholz, Dogan Keles, Wolf Fichtner 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien, Februar 2017 (Prof. Fichtner) Forschungsgruppe KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Agenda Motivation und Fragestellung Heuristische Einsatzplanung von Pumpspeicherkraftwerken Datenbasis und Modellannahmen Vergleich von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz Zusammenfassung und Ausblick Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

3 Mittlerer Day-Ahead- Strompreis in EUR/MWh Motivation und Fragestellung Hoher Speicherbedarf zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung (Nijs et al. 2014, Denholm & Hand 2011) Berichte über Abbruch von geplanten Pumpspeicher-Neubauprojekten (Janjanin & Schumann 2016, Vonberg 2016) Klassisches Geschäftsmodell nicht mehr wirtschaftlich? Rückgang Stunde des Tages (EPEX SPOT 2016) Schöpfen deutsche Pumpspeicherkraftwerke ihr Potential zur Lastglättung aus oder ist hierfür kein wirtschaftlicher Anreiz gegeben? Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

4 Methodik: Heuristische Einsatzplanung Start Tag = 1 Wähle ersten Pumpspeicher Prognose der Residuallast/Preise Vorläufige Einsatzplanung ggf. Korrektur von Über-/Leerlauf Letzter Pumpspeicher? ja Letzter Tag? ja Stopp nein nein Wähle nächsten Pumpspeicher Tag = Tag Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

5 Methodik: Lastglättender Einsatz Prognose der Residuallast Nachfrage Korrekturterm, um bereits eingesetzte Pumpspeicher zu berücksichtigen resload p h = demand h pvinfeed h windinfeed h + operation i (h) Prognose der Residuallast für Pumpspeicher p PV- und Windeinspeisung i<p mittlere Tageslast: resload p = resload p h h= Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

6 Methodik: Lastglättender Einsatz Prognose der Residuallast Nachfrage Korrekturterm, um bereits eingesetzte Pumpspeicher zu berücksichtigen resload p h = demand h pvinfeed h windinfeed h + operation i (h) Prognose der Residuallast für Pumpspeicher p PV- und Windeinspeisung i<p mittlere Tageslast: resload p = resload p h h=1 Vorläufige Einsatzplanung operation p min resload p h resload p, turbinecap p falls resload p h > resload p h = + min resload p resload p h, pumpcap p falls resload p h < resload p 0 sonst Annäherung an die mittlere Tageslast unter Berücksichtigung der maximalen Turbinen- und Pumpleistung Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

7 Day-Ahead-Strompreis in EUR/MWh Methodik: Preisbasierter Einsatz Preisprognose Schritt 1: Lineare Regressionsanalyse price = +β resload Residuallast in MW (EPEX SPOT 2016) price resload = β Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

8 Day-Ahead-Strompreis in EUR/MWh Methodik: Preisbasierter Einsatz Preisprognose Schritt 1: Lineare Regressionsanalyse price = +β resload Residuallast in MW (EPEX SPOT 2016) price resload = β Schritt 2: Kombination von realen Preisen und Regressionsanalyse Realer Day- Ahead-Strompreis price p h = price h + β operation i (h) i<p Preisprognose für Pumpspeicher p Korrekturterm, um bereits eingesetzte Pumpspeicher zu berücksichtigen Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

9 Methodik: Preisbasierter Einsatz Vorläufige Einsatzplanung Schritt 1: Ermittlung von Preisgrenzen price p h price p,pump price p,turbine η p Das Verhältnis der Preise muss die Wirkungsgradverluste kompensieren Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

10 Methodik: Preisbasierter Einsatz Vorläufige Einsatzplanung Schritt 1: Ermittlung von Preisgrenzen price p h price p,pump price p,turbine η p Das Verhältnis der Preise muss die Wirkungsgradverluste kompensieren. Schritt 2: Vorläufiger Einsatz unter Berücksichtigung der Preisgrenzen operation p turbinecap p falls price p h price p,turbine h = ቐ +pumpcap p falls price p h price p,pump 0 sonst Bei ausreichend hohen/niedrigen Preisen erfolgt Turbinen-/Pumpeinsatz mit Maximalleistung Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

11 Datenbasis und Modellannahmen Daten Pump- und Turbinenleistung (Bundesnetzagentur 2016) Volumen und natürlicher Zufluss der Speicherbecken Kaskadenschaltungen über Aggregation abgebildet Systemwirkungsgrad pauschal als η = 70% angenommen 50% der Leistung stehen für den Day-Ahead-Markt zur Verfügung Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

12 Datenbasis und Modellannahmen Daten Pump- und Turbinenleistung (Bundesnetzagentur 2016) Volumen und natürlicher Zufluss der Speicherbecken Kaskadenschaltungen über Aggregation abgebildet Systemwirkungsgrad pauschal als η = 70% angenommen 50% der Leistung stehen für den Day-Ahead-Markt zur Verfügung Stündliche Nachfragedaten (ENTSO-E 2016) Einspeisezeitreihen für Wind und Photovoltaik (ENTSO-E 2016) Aggregierte Einsatzdaten der Pumpspeicherkraftwerke (ENTSO-E 2016) Reale Preisdaten des Day-Ahead-Markts von 2015 (EPEX SPOT 2016) Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

13 Einsatz der Pumpspeicherkraftwerke in MW Ergebnisse: Gemittelter stündlicher Einsatz Mittelwert von realoperation Mittelwert von loadsmoothingoperation Mittelwert von pricebasedoperation Sommer Jahreszeit und Stunde des Tages Winter (ENTSO-E 2016) positiv = Pumpeinsatz, negativ = Turbineneinsatz Preisbasierter Einsatz bildet den Verlauf des realen Einsatzes gut nach Lastglättender Einsatz übersteigt insbesondere in den Mittags- und Abendstunden im Sommer den realen Einsatz signifikant Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

14 Kumulierter Einsatz der Pumpspeicherkraftwerke in TWh Ergebnisse: Kumulierter Einsatz 4 real pricebased loadsmoothing Sommer Übergang Winter positiv = Pumpeinsatz, negativ = Turbineneinsatz (ENTSO-E 2016) In allen Jahreszeiten gute Übereinstimmung zwischen realem und preisbasiertem Einsatz Lastglättender Einsatz führt zu deutlich größeren kumulierten Energiemengen im Pump- und Turbinenbetrieb als in der Realität Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

15 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz der deutschen Pumpspeicherkraftwerke im Jahr 2015 durch Heuristik Preisbasierter Einsatz bildet durchschnittlichen Tagesverlauf des realen Einsatzes und die kumulierten Energiemengen im Pump- und Turbinenbetrieb gut nach Lastglättender Einsatz überschätzt den realen Einsatz deutlich Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

16 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz der deutschen Pumpspeicherkraftwerke im Jahr 2015 durch Heuristik Preisbasierter Einsatz bildet durchschnittlichen Tagesverlauf des realen Einsatzes und die kumulierten Energiemengen im Pump- und Turbinenbetrieb gut nach Lastglättender Einsatz überschätzt den realen Einsatz deutlich Ausblick Integration der Heuristik in das agentenbasierte Strommarktsimulationsmodell PowerACE Untersuchung der langfristigen Einflüsse beider Einsatzstrategien auf die Versorgungssicherheit Falls langfristig positiver Einfluss des lastglättenden Einsatzes: Wie kann dieser angereizt werden? Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz

17 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen und Anregungen? Kontakt: Christoph Fraunholz, (Prof. Fichtner) Forschungsgruppe KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

18 Quellen NIJS, Wouter; SIMOES, Sofia; RUIZ, Pablo; SGOBBI, Alessandra; THIEL, Christian: Assessing the role of electricity storage in EU28 until In: 11 th International Conference on the European Energy Market (2014) DENHOLM, Paul; HAND, Maureen: Grid flexibility and storage required to achieve very high penetration of variable renewable electricity. In: Energy Policy 39 (2011), Nr. 3, S JANJANIN, Michael; SCHUMANN, Peter: Pumpspeicher-Projekt zu den Akten gelegt. URL Überprüfungsdatum VONBERG, Markus: Aus für bayrischen Pumpspeicher. URL Pumpspeicher;art372599, Überprüfungsdatum EPEX SPOT: Marktdaten Day-Ahead Auktion. URL Überprüfungsdatum BUNDESNETZAGENTUR: Kraftwerksliste. URL rsorgungssicherheit/erzeugungskapazitaeten/kraftwerksliste/kraftwerksliste-node.html Überprüfungsdatum ENTSO-E: Transparency Platform. URL Überprüfungsdatum Christoph Fraunholz Simulation von lastglättendem und preisbasiertem Einsatz