Auswirkungen von Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeversorgung in Deutschland

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1 Auswirkungen von Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeversorgung in Deutschland IEWT 2017 Wien Diana Böttger, Thomas Bruckner Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Kassel Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - IIRM Universität Leipzig Fraunhofer IWES Diana Böttger 1

2 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 2

3 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 3

4 Zukünftig zunehmender Flexibilitätsbedarf Ausbau erneuerbarer Energien u.a. in Deutschland Insbesondere hoher Anteil fluktuierender Energieträger (Windkraft, Photovoltaik) Zukünftig steigende Anzahl von Zeiträumen mit Stromangebotsüberschüssen aus fluktuierenden erneuerbaren Energien Fraunhofer IWES Diana Böttger 4

5 Definition von Überschussstrom Quelle: AGFW 2014 Fraunhofer IWES Diana Böttger 5

6 Einfluss der Mindestleistung auf Reservevorhaltung Marktdesign für Regelenergiemarkt: 1 Woche Gebotszeitraum für Sekundärregelleistung (SRL) Vorhaltende Kraftwerke müssen auch bei niedriger Stromnachfrage am Netz bleiben Für negative SRL wegen Mindestleistung hohe Must-Run Stromerzeugung Bandbreite für Stromerzeugung P max P min Möglichkeit zur Vorhaltung von positiver Reserve Höhe der Stromerzeugung Möglichkeit zur Vorhaltung von negativer Reserve Beispiel: P max = 500 MW P min = 200 MW (40 %) Für 50 MW negative Reserve = 250 MW als Must-Run am Spotmarkt Fraunhofer IWES Diana Böttger 6

7 Forschungsfrage Wie wirkt sich der Einsatz von Elektrokesseln in der Fernwärmeversorgung im Hinblick auf eine verbesserte Integration von erneuerbaren Energien aus? Rückwirkungen im Stromsystem bis auf die europäische Ebene sollen dabei beachtet werden. Europäisches Stromversorgungssystem Deutsches Stromversorgungssystem Fernwärmeversorgungssystem Elektrokessel Fraunhofer IWES Diana Böttger 7

8 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 8

9 Strommarktmodell MICOES Europe MICOES = Mixed Integer Cost Optimization of Energy Systems MICOES minimiert deterministisch die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten 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 -Emissionen - Deckungsbeiträge Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugung Regelenergiebedarf für jedes Land Regelenergiemarkt Leistungspreise Reservevorhaltung je Kraftwerk Fraunhofer IWES Diana Böttger 9

10 Fernwärmeversorgung inkl. Elektrokessel Im Modell mit realen Systemen: Berlin, Chemnitz, Dresden, Halle, Leipzig Brennstoff Heizkessel Wärme Fernwärmebedarf Strom KWK-Anlage Wärmespeicher Strom Elektrokessel Fraunhofer IWES Diana Böttger 10

11 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 11

12 Szenarien Betrachtung für das Jahr 2025, basierend auf dem Wetterjahr 2011 In ausgewählten Fernwärmenetzen in Ostdeutschland stehen MW el an Elektrokesseln (Power-to-Heat/ P2H-Anlagen) und Wärmespeicher zur Verfügung Strombezugskosten für P2H: 0 oder 100 Euro/MWh (2 Varianten) Zusätzlich noch ein Vergleichsszenario nur mit Wärmespeichern ( Nur WS ) aber ohne P2H, um Effekte der Wärmespeicher abzugrenzen Teilnahme an verschiedenen Märkten Spotmarkt Nein Regelleistungsmarkt (nur negative Sekundärreserve) Nein Referenz (ohne P2H) Ja R Ja S S+R Fraunhofer IWES Diana Böttger 12

13 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 13

14 Volllaststunden der Elektrokessel Spotmarkteinsatz nur ohne Strombezugskosten: zwischen und Volllaststunden (VLS) Regelleistung: Abruf ohne Strombezugskosten zwischen 220 und VLS Beide Märkte: mehr Regelleistung als Spotmarkteinsatz Fraunhofer IWES Diana Böttger 14

15 Veränderung der Fernwärmebereitstellung KWK-Wärmeerzeugung erhöht sich durch Wärmespeicher Größte Veränderung bei Spitzenlastkesseln Höchste Wärmeerzeugung der Elektrokessel im Szenario S 0 (decken etwa 10 % des Bedarfs) 2,0 1,5 TWh el bzw. TWh th 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0 Nur WS S R S+R KWK Strom KWK Wärme Heizkessel Elektrokessel Fraunhofer IWES Diana Böttger 15

16 Veränderung der Stromerzeugung in Deutschland Steigerung bei erneuerbaren Energien (EE), da weniger Abregelung nötig Erzeugung von Kohlekraftwerken sinkt insbesondere in den Szenarien mit Elektrokesseln für Regelleistungsvorhaltung 2,0 1,5 TWh el 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0 Nur WS S R S+R EE Braunkohle Steinkohle Erdgas Heizöl Pumpspeicher Fraunhofer IWES Diana Böttger 16

17 Veränderungen der CO 2 -Emissionen CO 2 -Emissionen können in allen Szenarien gesenkt werden Größte Senkung für alle Länder im Szenario R 100 Größte Senkung in Deutschland im Szenario S + R 100 (1 % der deutschen Emissionen können vermieden werden) 0,0 Differenz in Mio. t CO 2-0,5-1,0-1,5-2,0 Deutschland Alle anderen Länder Gesamteffekt -2,5 Nur WS S R S+R Fraunhofer IWES Diana Böttger 17

18 Agenda Motivation Strommarktmodell MICOES-Europe Modellannahmen für das Jahr 2025 Ergebnisse Zusammenfassung Fraunhofer IWES Diana Böttger 18

19 Zusammenfassung Elektrokessel tragen zur besseren Integration von erneuerbaren Energien bei Effekte hängen aber davon ab, an welchem Markt teilgenommen wird und welche Bezugskosten für Strom zu zahlen sind Grundsätzlich bietet ein Einsatz im Regelleistungsmarkt einen großen Hebel durch die Reduktion der Must-Run Erzeugung konventioneller Kraftwerke Wichtig ist auch Sichtweise auf europäische Stromversorgung und nicht nur das System in Deutschland, da über Ländergrenzen hinweg die Effizienz erhöht werden kann Fraunhofer IWES Diana Böttger 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktinformationen: Adresse: Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Institutsteil Kassel Abteilung Energiewirtschaft und Systemdesign Königstor 59 D Kassel Telefon: 0561 / Fax: 0561 / diana.boettger@iwes.fraunhofer.de Fraunhofer IWES Diana Böttger 20

21 Übersicht Annahmen (Jahr 2025) Bereich Quelle / Annahmen Stromnachfrage Deutschland konstant, EU konstant bis leicht steigend (NEP 2015, SO&AF 2015) Kraftwerkspark Preise NEP 2015 für Deutschland, SO&AF 2015 für Europa sowohl für fossil-thermische Kraftwerke als auch erneuerbare Energien Deutschland: EE-Anteil von 47 % Rest Europas: EE-Anteil bei rund 36 % ohne Speicherwasser World Energy Outlook 2015 New Policies Scenario CO 2 -Preis bei 22 Euro/t (kein fuel switch) NTCs Ten Year Network Development Plan 2016 Deutschland Import 29 GW, Export 26 GW Flexibilitäten Regelleistung Grundsätzlich eher konservativ (Biomasse konstante Fahrweise bzw. wärmegeführt, kein Pumpspeicher-/ Batteriezubau etc. Bedarf MW für pos./neg. SRL und MRL Anbieter nur konv. Kraftwerke, Pumpspeicher und Elektrokessel Fraunhofer IWES Diana Böttger 21