ABBILDUNG DER INTERAKTION ZWISCHEN STROM- UND WÄRMEMARKT IN DISPATCH UND CAPACITY EXPANSION MODELLEN

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1 ABBILDUNG DER INTERAKTION ZWISCHEN STROM- UND WÄRMEMARKT IN DISPATCH UND CAPACITY EXPANSION MODELLEN Diana Böttger (Fraunhofer IWES, Kassel) Strommarkttreffen-TechTalk Modellierung von gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung Berlin,

2 AGENDA Dispatch Modell ( MICOES-Europe, Universität Leipzig) Capacity Expansion Modell ( SCOPE, Fraunhofer IWES)

3 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 Diana Böttger 3

4 Fernwärmeversorgung inkl. Elektrokessel Im Modell mit realen Systemen (40 größte Fernwärmenetze Deutschlands) Brennstoff Heizkessel (0,,n) Wärme Fernwärmebedarf Strom Strom KWK-Anlage (0,,n) Elektrokessel (0,,n) Wärmespeicher (Bilanzpunkt) Diana Böttger 4

5 Modellierung Nachfrage: stündlich vorgegebener Bedarf ist zu decken (Zeitreihe berücksichtigt lokalen Temperaturverlauf des entsprechenden Wetterjahres) Keine hydraulischen Einschränkungen im Wärmenetz (analog zu Kupferplatte im Stromnetz) Erzeugungsportfolio: KWK-Anlagen: Unterscheidung in Entnahme-Kondensation- und Gegendruck- Anlagen; Abbildung des P-Q-Kennfeldes in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur; teillastabhängiger Brennstoffbedarf; Startkosten in Abhängigkeit der Stillstandszeit; optional: Mindestbetriebs-/ Mindeststillstandszeiten Gaskessel: Flexibel zwischen 0 und 100 % (keine Einschränkungen im Betrieb), Kosten inkl. Brennstoffsteuern Elektrokessel: Flexibel zwischen 0 und 100 % (keine Einschränkungen im Betrieb), ggf. Abgaben für Strom Wärmespeicher: Grundsätzlich als Bilanzpunkt für Wärmeerzeugung und -bedarf; keine thermodynamische Modellierung; Beschränkung der Lade-/Entladeleistung Anlagenparametrisierung gemäß heutigen Systemen Diana Böttger 5

6 GWh Einsatz von Elektrokesseln in der Fernwärme Beispiel für Leipzig, Szenariojahr 2025 Elektrokessel verdrängt hier überwiegend Einsatz der Erdgaskessel Verdrängung von Braunkohle-KWK nur bei Spotmarkteinsatz ohne zusätzliche Strombezugskosten nennenswert Ohne Nur P2H Spotmarkt Negative SRL Spotmarkt & neg. SRL Wärmespeicher P2H- Regelenergie P2H- Spotmarkt EG-Kessel GuD-GD BK-EK Quelle: Böttger (2017) Diana Böttger 6

7 MWh Euro/MWh Einsatz von Elektrokesseln in der Fernwärme Beispiel für Leipzig, Szenariojahr 2025 Szenario mit reinem Spotmarkteinsatz ohne Strombezugskosten Elektrokessel deckt Wärmebedarf in Zeiten hoher EE-Einspeisung Tagesmittlere Wärmeerzeugung im Vergleich zum tagesmittleren Spotmarktpreis Elektrokessel KWK Gaskessel Spotpreis Quelle: Böttger (2017) Diana Böttger 7

8 Sektorübergreifende Zubau- und Einsatzoptimierung SCOPE Eingangsgrößen Ergebnisse Brennstoffkosten Technologiekosten Potenziale/ Restriktionen Zeitreihen für Energiebedarfe (Strom, Wärme, Verkehr) Europa und/oder DE Kostenminimierung unter Einhaltung von Klimazielen Optimaler Strommix Optimaler Wärmemix Energiemengengerüst und installierte Leistung CO 2 -Preis Märkte: Strommarkt Wärmemärkte (unt. Haustypen und Temperaturen Gasmarkt Mobilitätsprofile CO 2 -Markt Technologieportfolio: Windkraft, PV Stromspeicher Power-to-Gas BEV PHEV/REEV Laufwasser KWK Klimatisierung Kessel Oberleitungs-LKW Kondensations-KW Power-to-Heat Wärmepumpen

9 Modellierung der Wärmemärkte in SCOPE Differenzierung der Wärmemärkte nach Sektoren: Haushalte, GHD, Industrie sowie bei Prozesswärme noch nach Temperaturniveau Technologien mit vorgegebener Auslegung zwischen Haupt- und Nebenaggregat KWK-Systeme mit Gaskessel, Elektrokessel/Wärmepumpe, Wärmespeicher Gaskessel mit Elektrokessel Wärmepumpe mit Wärmespeicher Technologieparametrisierung gemäß des Wärmemarktsegmentes, z.b. KWK-System wäre BHKW bei Haushalten und GuD im Fernwärmebereich Optimierung sowohl von Betrieb der Anlagen als auch des Wärmemarktanteils (Anteile der einzelnen Technologien an den jeweiligen Wärmemärkten lassen sich in vorgegebenen Wertebereichen entsprechend der Potentiale optimieren)

10 Anteil am Sub-Wärmemarkt Beispielhafte Ergebnisse SCOPE für 2050: Anteile der Technologien an den Wärmemärkten 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% EFH+MFH GHD WW+RW <100 C Nichtwohngebäude Fernwärme Wohngebäude Dampf C Industrie GHD-Prozesswärme Verfahren >500 C Strom monovalent Gas monovalent KWK+PtH Gaskessel+PtH bivalente Luft-WP Sonden-WP Müll HKW Geothermie KWK+GWP EFH = Einfamilienhaus, MFH = Mehrfamilienhaus, GHD = Gewerbe/Handel/Dienstleistung, (G)WP = (Groß)Wärmepumpe, HKW = Heizkraftwerk, PtH = Power-to-Heat Fraunhofer IWES (2017)

11 Beispielhafte Ergebnisse SCOPE für 2050: Stromerzeugung und Stromverbrauch Fraunhofer IWES (2017)

12 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Kontaktdaten: Dipl.-Wirtsch.-Math. Diana Böttger Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Institutsteil Energiesystemtechnik FuE-Bereich Energiewirtschaft und Systemanalyse Goethestr Kassel (Besucheradresse) Königstor Kassel (Postadresse) Telefon: 0561 /

13 Quellen Böttger (2017): Energiewirtschaftliche Auswirkungen der Power-to-Heat- Technologie in der Fernwärmeversorgung bei Vermarktung am Dayahead Spotmarkt und am Regelleistungsmarkt, Universität Leipzig, eingereichte Dissertation Fraunhofer IWES (2017): Analyse eines europäischen -95%- Klimazielszenarios über mehrere Wetterjahre. Teilbericht im Rahmen des Projektes: KLIMAWIRKSAMKEIT ELEKTROMOBILITÄT - Entwicklungsoptionen des Straßenverkehrs unter Berücksichtigung der Rückkopplung des Energieversorgungssystems in Hinblick auf mittel- und langfristige Klimaziele. Kassel. Online verfügbar unter projektenvelmo.iwes.fraunhofer.de/includes/reports/auswertung_7wetterjahre_ 95Prozent_FraunhoferIWES.pdf