Potenziale und Kosten industriellen Lastmanagements. 29. April 2015 Doktorandenkolloquium der FfE Fachtagung

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1 Potenziale und Kosten industriellen Lastmanagements 29. April 2015 Doktorandenkolloquium der FfE Fachtagung 1

2 Inhalt 1 Motivation und Forschungsfragen 2 Methodik 3 Technische Potenziale 4 Kosten 5 Fazit und weitere Schritte 2

3 Motivation Entwicklung Stromversorgungssystem Anstieg der Erzeugung aus Erneuerbaren Zunahme der fluktuierenden Einspeisung Erschwerte Gleichgewichtshaltung aus Erzeugung und Verbrauch Maßnahmen zur Erhöhung der Systemstabilität Netzausbau Einsatz verschiedener Speicher Eine mögliche Maßnahme Einsatz von Lastmanagement in der Industrie Nutzung flexibilisierbarer Verbraucher und Erzeugungsanlagen zur Erhöhung der Systemstabilität Querschnittstechnologien Stromintensive Prozesse 3

4 Forschungsfragen und Besonderheiten Welchen Beitrag kann industrielles Lastmanagement im Stromversorgungssystem der Zukunft leisten? Welche Technologien stehen für industrielles Lastmanagement zur Verfügung? Wie können die technoökonomischen Kennwerte der Technologien bestimmt werden? Für welche Einsatzoptionen sind die Technologien geeignet? Anwendungsbeispiel: Welchen Beitrag kann industrielles Lastmanagement für das Engpassmanagement leisten? Besonderheiten Betrachtung von Querschnittstechnologien Regionale Auflösung Anwendungsbeispiel: Engpassmanagement 4

5 5 Methodik

6 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 6 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

7 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 7 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

8 Methodik zur Lastmanagement-Potenzialermittlung bei stromintensiven Branchen Ermittlung mittels Bottom-Up-Methode Produktionsmengen einer Branche pro Jahr Spezifischer Stromverbrauch pro Produkt Strombedarf dieser Prozesse in Deutschland Benutzungsstunden dieser Prozesse Mittlere Last dieser Produktionsanlagen Anteil der flexibilisierbaren Last Legende: = Daten aus Literatur, Umfragen, eigene Erhebung = berechnete Werte LMM-Potenzial einer Branche für Deutschland Regionale Verteilung des Lastmanagement-Potenzials Produktionsmenge pro Betrieb & Branche LMM-Potenzial pro Betrieb & Branche Regional verteiltes LMM-Potenzial 8

9 Regionale Darstellung aller Potenziale der stromintensiven Branchen in Deutschland & Österreich Lastverschiebepotenzial Branche Österreich Deutschland Papier MW Zement MW Aluminium MW Chlor MW Stahl MW Summe MW Großteil des Potenzials wird in Deutschland schon genutzt 9

10 Methodik zur Lastmanagement-Potenzialermittlung bei Querschnittstechnologien Lastflexibilisierungspotenzial industrieller Querschnittstechnologien Dateninput Querschnittstechnologien Dateninput Lastflexibilisierung Regionaler Dateninput Umfangreiche Daten von ca. 50 Unternehmen aus der Industrie Gesamtstromverbrauch Stromverbrauch nach QST Druckluft Lüftung Beleuchtung Kälte Pumpen Stromlastgänge Installierte Leistung je QST Anzahl geregelter und ungeregelter Anlagen im Bereich QST Initialberatungen LEEN, Fragebögen, Interviews, Berechnungen Abschätzung von Ab- und Zuschaltdauer maximal abrufbare Leistung Maximal abschaltbare Leistung Stromverbräuche nach Branchen auf Landkreisebene (Statistisches Bundesamt) 10

11 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 11 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

12 Abschaltbare Leistung durch Flexibilisierung von QST (Normalbetrieb) in Abhängigkeit der Abrufdauer in D* Leistung in MW Pumpen Lüftung Kälte Beleuchtung Druckluft Minuten Minuten Stunde Stunden Stunden mittlere Last abschaltbare Last Zeitdauer FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ *realisierbares Potenzial für geeignete Betriebe ohne Kostenbetrachtung für die Implementierung (Personal und I&K)

13 Abschaltbare Leistung durch Flexibilisierung von QST (Sonntag Nachmittag) in Abhängigkeit der Abrufdauer in D* Leistung in MW Pumpen Lüftung Kälte Beleuchtung Druckluft Minuten Minuten Stunde Stunden Stunden mittlere Last abschaltbare Last Zeitdauer FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ *realisierbares Potenzial für geeignete Betriebe ohne Kostenbetrachtung für die Implementierung (Personal und I&K)

14 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 14 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

15 Regionalisierung 15

16 16 Zukünftige Potenziale

17 Methodik Elektrifizierungspotenzial brennstoffbasierter Verfahren zur Prozesswärmeerzeugung Industrieller Wärmebedarf 2008 Analyse der relevanten Industrieprozesse Technisches E-Potenzial* je Branche nach Temperaturniveau 2012 Geeignete elektrothermische Verfahren für Elektrifizierung Praktisches E-Potenzial Prozesswärme nach Temperaturniveau und Branche Endenergie nach Branche und Anwendungsart Brennstoffbasierte Verfahren Strombasierte Verfahren Annahme: anteiliger Wärmebedarf konstant Berücksichtigung Umwandlungsverluste Endenergie in Prozesswärme Wärmepumpe Elektrokessel Elektrodenkessel Elektrothermische Verfahren Beeinflussung durch Wirtschaftlichkeit Aufwand für Umsetzung Brennstoffbasiertes Verfahren: Elektrifizierung möglich? Analyse einzelner Verfahren und Temperaturniveaus JA E-Potenzial vorhanden NEIN Keine Berücksichtigung für E-Potenzial 17 *E-Potenzial Elektrifizierungspotenzial

18 Elektrifizierung brennstoffbasierter Prozesswärmeerzeugung Endenergieverbrauch in TWh/a Ist-Zustand FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_00214 Szenario Szenario Wärmepumpe elektrothermische & elektrothermische Verfahren Verfahren Strom (WP) Strom (el.thermisch) Strom (Ist-Zustand) Sonstige Erneuerbare Kohlen Fernwärme Gase (fossil) Mineralöl 18 Praktisches Potenzial nach Abzug der mindernden Einflüsse auf das technische Potenzial 180 TWh Strom bzw. 29 GW* Inkl. Wärmepumpen: 140 TWh Strom bzw. 24 GW* * Mittlere Prozesswärme-Last am Werktag

19 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 19 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

20 Kostenarten für Implementierung und Betrieb von Lastmanagement in der Industrie Investitionen Mess- und Regelungstechnik Zentrale Steuerungssoftware Kommunikationstechnologie Demand Response Strategie Fixe Betriebskosten Informationskosten Transaktionskosten Steuerungskosten Variable Kosten Opportunitätskosten Speicherkosten Personalkosten Wartungsaufwand Komforteinschränkungen Wirkungsgrad- Verluste Methodik Befragungen Kostenquantifizierung Betriebe In der Vermarktung Noch nicht in der Vermarktung Weitere Akteure (Vermarkter, Dienstleister, Softwarehersteller etc.) Identifikation sämtlicher Kostenbestandteile für Implementierung und Betrieb Detaillierte Quantifizierung der Kosten auf Basis der Energieeffizienzberatungen 20 1

21 Investitionen Ergebnisse aus der Befragung von Unternehmen, die an Demand Response Programmen teilnehmen Spez. Investition in /kw Spez. Investition in /kw Querschnittstechnologien 10 QST Mittelwert 9 stromintensive Prozesse 8 stromintensive Prozesse Mittelwert Querschnittstechnologien 3 QST Mittelwert 2 stromintensive Prozesse FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ stromintensive Prozesse Mittelwert FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ Anzahl an Anlagen Anzahl an Anlagen 21

22 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 22 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

23 Merit Order aller anfallenden Kosten für Demand Response in der Industrie spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung QST Chlor Alu Produktions- Zement Stahl ausfall Papier Lastverschiebung flexibilisierbare Leistung in MW h h h h Abruf pro pro Jahr (kumuliert) Jahr (kumuliert) FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_00127 MOS-DRInd_mbH_00125 MOS-DRInd_mbH_00126 MOS-DRInd_mbH_ * Gesamtkosten = annuitätische Investitionen + fixe Betriebskosten + variable Kosten

24 Industrielles Lastmanagement Technologieauswahl Ermittlung von Potenzialen und Kosten Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement Zeitliche Auflösung Typtag Tageszeit Saisonale Einflüsse Potenzial P(t), P(x, y) Flexibilisierbare Leistung Dauer Abrufhäufigkeit Leistungsgradient Kosten Investitionen Fixe Betriebskosten Variable Kosten spez. Gesamtkosten* in /MWh Prozesse Verschiebung h Abruf pro QST Jahr (kumuliert) Chlor Alu Zement Stahl Papier FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ flexibilisierbare Leistung in MW Merit Order (x, y, t) Stromintensive Prozesse Querschnittstechnologien Beitrag industriellen Lastmanagements 24 Praktische Untersuchung zur Validierung der Annahmen Anwendungsbeispiel Engpassmanagement

25 Einsatzoptionen und Anwendungsbeispiel Einsatzoptionen Lastglättung Ausgleich von Prognosefehlern Frequenzhaltung Engpassmanagement etc. Festlegung relevanter Einsatzoptionen Bsp. Engpassmanagement Auswertung von Einspeisemanagement- und Redispatch-Maßnahmen Technische Daten Auswertung historischer Daten auf regionaler Ebene Leistungserhöhung / -absenkung Dauer Häufigkeit Kosten Auswertung historischer Daten Kosten für Redispatch Kosten für EinsMan 25

26 Fazit und weitere Schritte Technisches bzw. realisierbares Potenzial Stromintensive Prozesse (Verschiebung) ca MW technisches Potenzial Querschnittstechnologien ca MW realisierbares* Potenzial Geringe spezifische Gesamtkosten im Fall der Lastverschiebung bei stromintensiven Prozessen und QST Stromintensive Prozesse lediglich h pro Jahr verschiebbar Weitere Schritte Automatisierte Abbildung der zeitlich und regional aufgelösten Merit Order (spez. Gesamtkosten) Quantifizierung des Beitrags von Lastmanagement für das Engpassmanagement Durchführung von Messungen in Industriebetrieben (praktische Realisierbarkeit) 26 *realisierbares Potenzial für geeignete Betriebe ohne Kostenbetrachtung für die Implementierung (Personal und I&K)

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) Anna Gruber +49 (89) Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Am Blütenanger München 27